物聯(lián)網(wǎng)課程設(shè)計(jì)--基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　班 級(jí)：通信10-2 </p><p>　姓 名：</p><p>　學(xué) 號(hào)：</p><p>　指導(dǎo)教師：</p><p>　成 績(jī)：</p><p>　　

2、基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　針對(duì)當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控中存在的弊端,為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化和實(shí)時(shí)性,設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運(yùn)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 嵌入式計(jì)算技術(shù)、GPRS 無線通信技術(shù)。重點(diǎn)介紹了監(jiān)控中心和終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路和軟硬件實(shí)施方案。實(shí)驗(yàn)

3、表明: 該系統(tǒng)成本低、 功耗小,使用簡(jiǎn)單,工作穩(wěn)定,測(cè)量精度較高,具有較高的實(shí)用價(jià)值。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 物聯(lián)網(wǎng); 室內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè); 無線傳感網(wǎng)絡(luò); 通用分組無線業(yè)務(wù)</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(jié)構(gòu)與工作原理1</p><p>　　第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2</p><p>　　2.1 終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.2 監(jiān)控中心硬件設(shè)計(jì)4</p><p>　　第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5</p><

5、;p>　　3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)5</p><p>　　3.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)6</p><p>　　3.3 GPRS 模塊軟件設(shè)計(jì)6</p><p>　　第四章 系統(tǒng)測(cè)試7</p><p><b>　　第五章 結(jié)論7</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)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(wǎng)是新一代的信息技術(shù),是物與物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò),英文名是“The Internet of things”。通過各種信息傳感設(shè)備,實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過程,采集各種需

7、要的信息,與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人,所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接,方便識(shí)別、管理和控制。GSM是全球移動(dòng)通信系統(tǒng),技術(shù)成熟,資費(fèi)低,已廣泛應(yīng)用。我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展導(dǎo)致了一系列問題,自然環(huán)境急劇惡化,礦山爆炸,森林火災(zāi)等事故不斷， 家庭失火、 煤氣中毒更是是現(xiàn)實(shí)生活中經(jīng)常出現(xiàn)的家庭災(zāi)害,隨著經(jīng)濟(jì)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(nèi)空氣污染,公認(rèn)具有代表性的化學(xué)物質(zhì)是甲醛,甲醛

8、是現(xiàn)在被各界普遍認(rèn)為是室內(nèi)第一殺手,如果甲醛含量超標(biāo)對(duì)人體傷害甚為嚴(yán)重,這些都嚴(yán)重威脅人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全,造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員安全。于是,這加強(qiáng)了對(duì)智能、實(shí)時(shí)、高效的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求。目前,室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)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(nèi)美觀,而且對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和管理也很不方便,一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題時(shí),會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的工作?，F(xiàn)在應(yīng)用比較普遍的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　1.2 總體結(jié)構(gòu)

9、與工作原理</p><p>　　基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括監(jiān)控中心、 路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)三層體系結(jié)構(gòu),系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)控中心與終端節(jié)點(diǎn)之間通過層次型設(shè)計(jì)構(gòu)建信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)將實(shí)時(shí)采集的室內(nèi)信息通過層次性網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。路由節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中局部監(jiān)測(cè)群體的核心節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)通信和維護(hù)網(wǎng)內(nèi)路徑; 終端節(jié)點(diǎn)是帶有傳感器的子節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)( 煤氣、甲醛、 煙霧、 溫度等) 的

10、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),把監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采用無線方式經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)傳給監(jiān)控中心; 監(jiān)控中心顯示、 存儲(chǔ)終端節(jié)點(diǎn)的信息,如果有危險(xiǎn)情況發(fā)生,蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警聲,并通過通用分組無線業(yè)務(wù)( GPRS) 模塊以短信的形式把報(bào)警信息發(fā)送到住宅主人手機(jī)中。實(shí)現(xiàn)住宅主人對(duì)室內(nèi)環(huán)境情況的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)<

11、/p><p>　　在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),包括協(xié)調(diào)器、 路由器和終端節(jié)點(diǎn)。CC2530 在CC2430 的基礎(chǔ)上,根據(jù)CC2430 實(shí)際應(yīng)用存在的問題進(jìn)行一些改進(jìn)。

12、CC2530 是集IEEE 802. 15. 4,ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。而且CC2530 具有不同的運(yùn)行模式,當(dāng)無信號(hào)時(shí),可以進(jìn)入睡眠狀態(tài); 當(dāng)有信號(hào)時(shí),可以快速轉(zhuǎn)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(chǔ)容量可達(dá)256 kbyte,使用時(shí)不用再為存儲(chǔ)容量小而對(duì)代碼進(jìn)行限制; CC2530 的通信

13、距離可達(dá)400 m,不再需要像CC2430 那樣外加功放擴(kuò)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(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　終端節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)最底層的設(shè)備,起著至關(guān)重要的作用。終端節(jié)點(diǎn)是帶傳感器的網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn),以CC2530 作為核心。信息終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。終端節(jié)點(diǎn)的功能模

14、塊包括: 傳感器模塊、 電源管理模塊、 報(bào)警模塊和繼電器模塊。</p><p>　　圖2-1 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　傳感器模塊是監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)重要組成部分負(fù)責(zé)完成室內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。信息終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)它所安放的位置和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型的不同,一般安裝不同的傳感器。為了減少對(duì)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(shè)計(jì)。報(bào)警模塊用于當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)

15、給予報(bào)警提醒。終端節(jié)點(diǎn)將采集到的甲醛濃度信號(hào)、 煙霧信號(hào)、 煤氣信號(hào)和溫度信號(hào)等經(jīng)過微控制器處理后,經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)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(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào),通過驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器中電磁線圈吸合與斷開,從而控制風(fēng)扇、 空調(diào)和窗戶等設(shè)備外電路的閉合與開路。其驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示。</p><p>　　圖2-2 繼電器驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　2.2 監(jiān)控

16、中心硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　監(jiān)控中心由中央處理單元、 液晶顯示模塊、 協(xié)調(diào)器模塊、 報(bào)警模塊、GPRS 模塊組成,硬件結(jié)構(gòu)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(jià)格、 低功耗、 高性能的特點(diǎn),并且提供一種完整的通用系統(tǒng)外設(shè),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(shù),參數(shù)設(shè)置嚴(yán)謹(jǐn),并提供了2 個(gè)獨(dú)立串口,支持GPRS 數(shù)據(jù)通訊與AT 指令并行操作; 并且永久在線連接、 快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和更快的數(shù)據(jù)下載速度。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用與終端節(jié)點(diǎn)相同的芯片CC2530。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)其實(shí)就是一個(gè)功能更強(qiáng)的信息終端節(jié)點(diǎn),它的處理能力和通信能力更強(qiáng),信息存儲(chǔ)量大等,主要作用是啟動(dòng)控制命令的發(fā)送、 接納終端節(jié)點(diǎn)加入、 轉(zhuǎn)發(fā)信息終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)至監(jiān)控中

18、心等。</p><p>　　圖2-3 監(jiān)控中心硬件結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　基于通用性和便于開發(fā)的考慮,節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)移植了TI 公司的Z-Stack 協(xié)議棧,Z-Stack 協(xié)議棧符臺(tái)Zig Bee2006 規(guī)范,功能強(qiáng)大,它包含了Zig Bee 標(biāo)準(zhǔn)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(diào)用API 可實(shí)現(xiàn)Zig Bee 標(biāo)準(zhǔn)中各層次的相應(yīng)功能。</p><p>　　3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　因?yàn)楣?jié)點(diǎn)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(jī)的組合起來,使其既能有效地完成任務(wù),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(cè)工作方式,其工作過程為:先設(shè)定一個(gè)監(jiān)測(cè)周期,監(jiān)測(cè)周期之外的時(shí)間,各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài);

20、 到達(dá)檢測(cè)周期后,各個(gè)節(jié)點(diǎn)被喚醒,等待協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù); 當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令后,各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)信息傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。另外,終端節(jié)點(diǎn)本身帶有報(bào)警模塊,可以脫離監(jiān)控中心,作為一個(gè)獨(dú)立功能設(shè)備使用。終端節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖5 所示。</p><p>　　圖3-1 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖</p><p>　　3.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)</p><p>

21、　　控制中心軟件設(shè)計(jì)主要包括兩方面內(nèi)容: 一方面負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò); 另一方面將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)傳送到S3C2440A。當(dāng)S3C2440A 接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理,并且判斷數(shù)據(jù)是否超過警戒線,如果超過警戒線蜂鳴器就報(bào)警,同時(shí)把報(bào)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(jī)中,以便及時(shí)處理,并將各個(gè)房間的監(jiān)測(cè)信息在液晶顯示器上進(jìn)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(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用SMS 短信方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)出現(xiàn)火災(zāi)和煤氣泄漏災(zāi)害的及時(shí)報(bào)警。S3C2440A 接收CC2530 外部采集的數(shù)據(jù),然后通過串口發(fā)送給GPRS 模塊,最終,</p><p>　　GPRS 模塊把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到主人手機(jī)中。GPRS 模塊建立無線通道進(jìn)行數(shù)據(jù)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(cè)試</b></p><p>　　在臥室和廚房?jī)?nèi)分別布置3 個(gè)終端節(jié)點(diǎn),對(duì)房間的溫度、 煙霧監(jiān)測(cè),路由節(jié)點(diǎn)布置在臥室和廚房的門口,將監(jiān)控中心布置在客廳,對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)終端節(jié)點(diǎn)的溫度傳感器放入0~ 50 ℃ 水中進(jìn)行模擬,將該系統(tǒng)的測(cè)

24、量值與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)測(cè)得的溫度值進(jìn)行對(duì)比,測(cè)試結(jié)果如表1 所示。傳感器所測(cè)的溫度值與溫度計(jì)所測(cè)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(cè)試煙霧濃度是通過在一個(gè)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(dāng)煙霧的濃度較大時(shí),蜂鳴器會(huì)報(bào)警,同時(shí)主人的手機(jī)中收到報(bào)警信息。</p><p>　　表4-1 室內(nèi)溫度測(cè)試結(jié)果</p><p><

25、;b>　　第五章 結(jié)論</b></p><p>　　本文采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和GPRS 無線遠(yuǎn)程傳輸技術(shù),構(gòu)造了一種家居室內(nèi)環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)的甲醛、CO、 煙霧和溫度等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和處理,如有異常情況出現(xiàn)時(shí),蜂鳴器會(huì)報(bào)警,并將報(bào)警信息發(fā)送到主人手機(jī)中,以便及時(shí)采取措施。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明: 該系統(tǒng)靈敏度高、 運(yùn)行穩(wěn)定、 實(shí)時(shí)性強(qiáng),而且成本低、 功耗小和易于擴(kuò)展。通過本次課程設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步深

26、入的學(xué)習(xí)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，并且掌握了如何將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到我們的實(shí)際生活當(dāng)中，同時(shí)也意識(shí)到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的強(qiáng)大以及對(duì)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(xiàn)</b></p><p>　　[1]王春雷,黃玉,柴喬林,等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2007,28 ( 7) :23

27、20 - 2322.</p><p>　　[2]李忠成. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2008,16( 7) : 929 - 931.</p><p>　　[3]晏均,周群彪,謝曉陽. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)火災(zāi)系統(tǒng)[J]. 中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào),2009,20( 2) : 45 - 47.</p><p>　　[4]李宗

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