物聯(lián)網課程設計--基于物聯(lián)網的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　課程設計</b></p><p>　班 級：通信10-2 </p><p>　姓 名：</p><p>　學 號：</p><p>　指導教師：</p><p>　成 績：</p><p>　　

2、基于物聯(lián)網的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　針對當前監(jiān)控系統(tǒng)在室內環(huán)境監(jiān)控中存在的弊端,為實現(xiàn)室內環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的自動化和實時性,設計了一種基于物聯(lián)網技術的室內環(huán)境參數(shù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運用無線傳感器網絡技術、 嵌入式計算技術、GPRS 無線通信技術。重點介紹了監(jiān)控中心和終端節(jié)點的設計思路和軟硬件實施方案。實驗

3、表明: 該系統(tǒng)成本低、 功耗小,使用簡單,工作穩(wěn)定,測量精度較高,具有較高的實用價值。</p><p>　　關鍵詞: 物聯(lián)網; 室內環(huán)境遠程監(jiān)測; 無線傳感網絡; 通用分組無線業(yè)務</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p><b&g

4、t;　　1.1 引言1</b></p><p>　　1.2 總體結構與工作原理1</p><p>　　第二章 系統(tǒng)硬件設計2</p><p>　　2.1 終端節(jié)點的硬件設計3</p><p>　　2.2 監(jiān)控中心硬件設計4</p><p>　　第三章 系統(tǒng)軟件設計5</p><

5、;p>　　3.1 終端節(jié)點軟件設計5</p><p>　　3.2 監(jiān)控中心軟件設計6</p><p>　　3.3 GPRS 模塊軟件設計6</p><p>　　第四章 系統(tǒng)測試7</p><p><b>　　第五章 結論7</b></p><p><b>　　參考文獻8

6、</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p><p>　　物聯(lián)網是新一代的信息技術,是物與物互聯(lián)的網絡,英文名是“The Internet of things”。通過各種信息傳感設備,實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程,采集各種需

7、要的信息,與互聯(lián)網結合形成的一個巨大網絡。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人,所有的物品與網絡的連接,方便識別、管理和控制。GSM是全球移動通信系統(tǒng),技術成熟,資費低,已廣泛應用。我國經濟的高速發(fā)展導致了一系列問題,自然環(huán)境急劇惡化,礦山爆炸,森林火災等事故不斷， 家庭失火、 煤氣中毒更是是現(xiàn)實生活中經常出現(xiàn)的家庭災害,隨著經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,各種原料制成建筑裝飾材料已走入家庭,造成室內空氣污染,公認具有代表性的化學物質是甲醛,甲醛

8、是現(xiàn)在被各界普遍認為是室內第一殺手,如果甲醛含量超標對人體傷害甚為嚴重,這些都嚴重威脅人民的生命和財產安全,造成巨大的經濟損失和人員安全。于是,這加強了對智能、實時、高效的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的需求。目前,室內環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)多數(shù)為有線方式,這種方式需要大量布線,影響室內美觀,而且對系統(tǒng)的維護和管理也很不方便,一個節(jié)點出現(xiàn)問題時,會影響其他節(jié)點的工作?，F(xiàn)在應用比較普遍的無線傳感器網絡</p><p>　　1.2 總體結構

9、與工作原理</p><p>　　基于物聯(lián)網的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網絡結構包括監(jiān)控中心、 路由節(jié)點和終端節(jié)點三層體系結構,系統(tǒng)框架結構如圖1所示。監(jiān)控中心與終端節(jié)點之間通過層次型設計構建信息傳輸網絡。終端節(jié)點將實時采集的室內信息通過層次性網絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。路由節(jié)點是整個監(jiān)測系統(tǒng)中局部監(jiān)測群體的核心節(jié)點,負責轉發(fā)通信和維護網內路徑; 終端節(jié)點是帶有傳感器的子節(jié)點,負責對室內環(huán)境參數(shù)( 煤氣、甲醛、 煙霧、 溫度等) 的

10、實時監(jiān)測,把監(jiān)測的數(shù)據采用無線方式經路由節(jié)點傳給監(jiān)控中心; 監(jiān)控中心顯示、 存儲終端節(jié)點的信息,如果有危險情況發(fā)生,蜂鳴器會發(fā)出報警聲,并通過通用分組無線業(yè)務( GPRS) 模塊以短信的形式把報警信息發(fā)送到住宅主人手機中。實現(xiàn)住宅主人對室內環(huán)境情況的遠程監(jiān)測功能。</p><p><b>　　圖1-1 系統(tǒng)框架</b></p><p>　　第二章 系統(tǒng)硬件設計<

11、/p><p>　　在節(jié)點的設計過程中,考慮到低功耗的要求,硬件方面處理核心決定選擇低功耗片上系統(tǒng)芯片CC2530。CC2530是符合Zig Bee 標準的2. 4 GHz 片上系統(tǒng)( system on chip,SoC) ,適用于各種Zig Bee 和Zig Bee PRO 的無線傳感網絡節(jié)點,包括協(xié)調器、 路由器和終端節(jié)點。CC2530 在CC2430 的基礎上,根據CC2430 實際應用存在的問題進行一些改進。

12、CC2530 是集IEEE 802. 15. 4,ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統(tǒng)( SoC) 解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節(jié)點。而且CC2530 具有不同的運行模式,當無信號時,可以進入睡眠狀態(tài); 當有信號時,可以快速轉換到工作模式,使得它尤其適用于超低功耗要求的系統(tǒng)。CC2530 加大了緩存,最大存儲容量可達256 kbyte,使用時不用再為存儲容量小而對代碼進行限制; CC2530 的通信

13、距離可達400 m,不再需要像CC2430 那樣外加功放擴展傳輸距離。 代碼從CC2430 移植到CC2530 只需少量修改,并且CC2530 支持最新的20</p><p>　　2.1 終端節(jié)點的硬件設計</p><p>　　終端節(jié)點作為系統(tǒng)最底層的設備,起著至關重要的作用。終端節(jié)點是帶傳感器的網絡子節(jié)點,以CC2530 作為核心。信息終端節(jié)點的硬件結構框圖如圖2 所示。終端節(jié)點的功能模

14、塊包括: 傳感器模塊、 電源管理模塊、 報警模塊和繼電器模塊。</p><p>　　圖2-1 終端節(jié)點硬件結構圖</p><p>　　傳感器模塊是監(jiān)測節(jié)點重要組成部分負責完成室內相關數(shù)據的采集。信息終端節(jié)點根據它所安放的位置和監(jiān)測數(shù)據類型的不同,一般安裝不同的傳感器。為了減少對CPU 資源的占用,一般采用數(shù)字化傳感器,數(shù)字化傳感器可方便傳感器模塊接口的設計。報警模塊用于當監(jiān)測數(shù)據出現(xiàn)異常時

15、給予報警提醒。終端節(jié)點將采集到的甲醛濃度信號、 煙霧信號、 煤氣信號和溫度信號等經過微控制器處理后,經路由節(jié)點傳送到監(jiān)控中心。繼電器模塊通過CC2530 輸出的高低電平作為驅動電路的控制信號,通過驅動電路控制繼電器中電磁線圈吸合與斷開,從而控制風扇、 空調和窗戶等設備外電路的閉合與開路。其驅動電路如圖3 所示。</p><p>　　圖2-2 繼電器驅動電路</p><p>　　2.2 監(jiān)控

16、中心硬件設計</p><p>　　監(jiān)控中心由中央處理單元、 液晶顯示模塊、 協(xié)調器模塊、 報警模塊、GPRS 模塊組成,硬件結構框圖如圖4 所示。中央處理單元采用三星公司推出的微處理器S3C2440A,S3C2440A 核心處理器( CPU) 是ARM920T 的RISC 處理器,具有低價格、 低功耗、 高性能的特點,并且提供一種完整的通用系統(tǒng)外設,減少整體系統(tǒng)成本。GPRS 無線模塊采用西門子公司最新推出的MC

17、37i,MC37i 性能穩(wěn)定、 體積小、 重量輕、 功耗低,具備快速GPRS 技術,參數(shù)設置嚴謹,并提供了2 個獨立串口,支持GPRS 數(shù)據通訊與AT 指令并行操作; 并且永久在線連接、 快速數(shù)據存儲和更快的數(shù)據下載速度。協(xié)調器節(jié)點采用與終端節(jié)點相同的芯片CC2530。協(xié)調器節(jié)點其實就是一個功能更強的信息終端節(jié)點,它的處理能力和通信能力更強,信息存儲量大等,主要作用是啟動控制命令的發(fā)送、 接納終端節(jié)點加入、 轉發(fā)信息終端節(jié)點數(shù)據至監(jiān)控中

18、心等。</p><p>　　圖2-3 監(jiān)控中心硬件結構框圖</p><p>　　第三章 系統(tǒng)軟件設計</p><p>　　基于通用性和便于開發(fā)的考慮,節(jié)點的軟件設計移植了TI 公司的Z-Stack 協(xié)議棧,Z-Stack 協(xié)議棧符臺Zig Bee2006 規(guī)范,功能強大,它包含了Zig Bee 標準描述的各層次的功能組件模塊,向開發(fā)人員提供了一系列的API 接口,通

19、過調用API 可實現(xiàn)Zig Bee 標準中各層次的相應功能。</p><p>　　3.1 終端節(jié)點軟件設計</p><p>　　因為節(jié)點在不同的工作模式下的功耗差別非常大,將體眠、 喚醒、 工作等這些不同的工作模式有機的組合起來,使其既能有效地完成任務,又能最大限度地減少能耗。所以,在這里采用了周期性監(jiān)測工作方式,其工作過程為:先設定一個監(jiān)測周期,監(jiān)測周期之外的時間,各個節(jié)點進入睡眠狀態(tài);

20、 到達檢測周期后,各個節(jié)點被喚醒,等待協(xié)調器節(jié)點收集數(shù)據; 當協(xié)調器發(fā)出數(shù)據采集命令后,各個終端節(jié)點進行數(shù)據采集,并將數(shù)據信息傳送給協(xié)調器節(jié)點。另外,終端節(jié)點本身帶有報警模塊,可以脫離監(jiān)控中心,作為一個獨立功能設備使用。終端節(jié)點的程序流程圖如圖5 所示。</p><p>　　圖3-1 終端節(jié)點程序流程圖</p><p>　　3.2 監(jiān)控中心軟件設計</p><p>

21、　　控制中心軟件設計主要包括兩方面內容: 一方面負責組建網絡; 另一方面將協(xié)調器節(jié)點采集的數(shù)據傳送到S3C2440A。當S3C2440A 接收到數(shù)據后進行處理,并且判斷數(shù)據是否超過警戒線,如果超過警戒線蜂鳴器就報警,同時把報警信息通過GPRS 模塊以短信的形式發(fā)送到住宅的主人手機中,以便及時處理,并將各個房間的監(jiān)測信息在液晶顯示器上進行循環(huán)顯示。監(jiān)控中心程序流程圖如圖6 所示</p><p>　　圖3-2 監(jiān)控中

22、心控制流程圖</p><p>　　3.3 GPRS 模塊軟件設計</p><p>　　本設計采用SMS 短信方式實現(xiàn)室內出現(xiàn)火災和煤氣泄漏災害的及時報警。S3C2440A 接收CC2530 外部采集的數(shù)據,然后通過串口發(fā)送給GPRS 模塊,最終,</p><p>　　GPRS 模塊把數(shù)據轉發(fā)到主人手機中。GPRS 模塊建立無線通道進行數(shù)據傳輸主要是靠AT 命令控制完

23、成的。</p><p><b>　　第四章 系統(tǒng)測試</b></p><p>　　在臥室和廚房內分別布置3 個終端節(jié)點,對房間的溫度、 煙霧監(jiān)測,路由節(jié)點布置在臥室和廚房的門口,將監(jiān)控中心布置在客廳,對監(jiān)測的數(shù)據進行分析和處理。溫度傳感器采用防水型DS18B20、 煙霧傳感器采用NIS-09C。將6 個終端節(jié)點的溫度傳感器放入0~ 50 ℃ 水中進行模擬,將該系統(tǒng)的測

24、量值與標準溫度計測得的溫度值進行對比,測試結果如表1 所示。傳感器所測的溫度值與溫度計所測的溫度值并不完全相等,存在一定的誤差,相差約為0. 3 ℃ ,但誤差范圍比較小,可以接受。測試煙霧濃度是通過在一個敞口的鐵桶中燃燒一些東西,然后把煙霧傳感器放到桶口,當煙霧的濃度較大時,蜂鳴器會報警,同時主人的手機中收到報警信息。</p><p>　　表4-1 室內溫度測試結果</p><p><

25、;b>　　第五章 結論</b></p><p>　　本文采用物聯(lián)網技術和GPRS 無線遠程傳輸技術,構造了一種家居室內環(huán)境參數(shù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)。實現(xiàn)了對室內的甲醛、CO、 煙霧和溫度等數(shù)據實時采集和處理,如有異常情況出現(xiàn)時,蜂鳴器會報警,并將報警信息發(fā)送到主人手機中,以便及時采取措施。實驗測試表明: 該系統(tǒng)靈敏度高、 運行穩(wěn)定、 實時性強,而且成本低、 功耗小和易于擴展。通過本次課程設計，我進一步深

26、入的學習了物聯(lián)網技術和無線遠程傳輸技術，并且掌握了如何將物聯(lián)網技術應用到我們的實際生活當中，同時也意識到物聯(lián)網技術的強大以及對我們現(xiàn)代生活和未來世界的無可取代的作用。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]王春雷,黃玉,柴喬林,等. 基于無線傳感器網絡的火災監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 計算機工程與設計,2007,28 ( 7) :23

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