物聯(lián)網(wǎng)課程設(shè)計

1、課程設(shè)計專業(yè)綜合課程設(shè)計報告班 級： 通信10-2 姓 名： 王佩 學(xué) 號： 1006030219 指導(dǎo)教師： 楊春玲 成 績： 電子與信息工程學(xué)院信息與通信工程系基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計摘要針對當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控中存在的弊端,為實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的自動化和實時性,設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 嵌入式計算技術(shù)、gprs 無線通信技術(shù)。重點介紹了監(jiān)控中心和終端節(jié)點的設(shè)計思路和軟硬件實施方案。實驗表明: 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。關(guān)鍵詞: 物聯(lián)網(wǎng); 室內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測;

2、無線傳感網(wǎng)絡(luò); 通用分組無線業(yè)務(wù)7目錄摘要11.1 引言11.2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理1第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計22.1 終端節(jié)點的硬件設(shè)計32.2 監(jiān)控中心硬件設(shè)計4第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計53.1 終端節(jié)點軟件設(shè)計53.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計63.3 gprs 模塊軟件設(shè)計6第四章 系統(tǒng)測試7第五章 結(jié)論7參考文獻(xiàn)8第一章 緒論1.1 引言 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,采集各種需要的信息,與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人,所有的物品與

3、網(wǎng)絡(luò)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(shù)成熟,資費低,已廣泛應(yīng)用。我國經(jīng)濟的高速發(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)實生活中經(jīng)常出現(xiàn)的家庭災(zāi)害,隨著經(jīng)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(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)對人體傷害甚為嚴(yán)重,這些都嚴(yán)重威脅人民的生命和財產(chǎn)安全,造成巨大的經(jīng)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(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)多數(shù)為有線方式,這種方式

4、需要大量布線,影響室內(nèi)美觀,而且對系統(tǒng)的維護(hù)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(yīng)用比較普遍的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要針對戶外環(huán)境惡劣、 條件復(fù)雜的區(qū)域,這些系統(tǒng)需要考慮數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)融合、 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及數(shù)據(jù)管理等關(guān)鍵問題。然而,對于特定的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測,這些系統(tǒng)則顯得過于復(fù)雜和實用性低。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線通信技術(shù),設(shè)計了一種室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),克服了傳統(tǒng)方式的局域性和區(qū)域性,具有移動性強、 簡單、 可靠、 經(jīng)濟等優(yōu)點。1.2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理 基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括監(jiān)控中心、 路由節(jié)點和終端節(jié)點三層體系結(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)

5、點之間通過層次型設(shè)計構(gòu)建信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點將實時采集的室內(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)點是整個監(jiān)測系統(tǒng)中局部監(jiān)測群體的核心節(jié)點,負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)通信和維護(hù)網(wǎng)內(nèi)路徑; 終端節(jié)點是帶有傳感器的子節(jié)點,負(fù)責(zé)對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)( 煤氣、甲醛、 煙霧、 溫度等) 的實時監(jiān)測,把監(jiān)測的數(shù)據(jù)采用無線方式經(jīng)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(wù)( 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(nèi)環(huán)境情況的遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。圖1-1 系統(tǒng)框架第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 在節(jié)點的設(shè)計過程中,考慮到低功耗的要

6、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,包括協(xié)調(diào)器、 路由器和終端節(jié)點。cc2530 在cc2430 的基礎(chǔ)上,根據(jù)cc2430 實際應(yīng)用存在的問題進(jìn)行一些改進(jìn)。cc2530 是集ieee 802. 15. 4,zigbee 和rf4ce 應(yīng)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點。而且cc2530 具有不同的運行模式,當(dāng)無信號時,可以進(jìn)入睡眠

7、狀態(tài); 當(dāng)有信號時,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,最大存儲容量可達(dá)256 kbyte,使用時不用再為存儲容量小而對代碼進(jìn)行限制; cc2530 的通信距離可達(dá)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2007 /pro( professional) 協(xié)議棧,且價格較便宜。2.1 終端節(jié)點的硬件設(shè)計 終端節(jié)點作為系統(tǒng)最底層的設(shè)備,起著至關(guān)重要的作用。終端節(jié)點是帶傳感器的網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點,以cc2530 作為核心。信息終端節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2

8、 所示。終端節(jié)點的功能模塊包括: 傳感器模塊、 電源管理模塊、 報警模塊和繼電器模塊。圖2-1 終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖 傳感器模塊是監(jiān)測節(jié)點重要組成部分負(fù)責(zé)完成室內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集。信息終端節(jié)點根據(jù)它所安放的位置和監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shè)計。報警模塊用于當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時給予報警提醒。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(jīng)過微控制器處理后,經(jīng)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(qū)動電路的控制信號,通過驅(qū)動電路控制繼電器中電磁線圈吸

9、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)動電路如圖3 所示。圖2-2 繼電器驅(qū)動電路2.2 監(jiān)控中心硬件設(shè)計 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(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mc37i,mc37i 性能穩(wěn)定、 體積小、 重量輕、 功耗低,具備快速gprs 技術(shù)

10、,參數(shù)設(shè)置嚴(yán)謹(jǐn),并提供了2 個獨立串口,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)存儲和更快的數(shù)據(jù)下載速度。協(xié)調(diào)器節(jié)點采用與終端節(jié)點相同的芯片cc2530。協(xié)調(diào)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(zhuǎn)發(fā)信息終端節(jié)點數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心等。圖2-3 監(jiān)控中心硬件結(jié)構(gòu)框圖第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 基于通用性和便于開發(fā)的考慮,節(jié)點的軟件設(shè)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(biāo)準(zhǔn)描述的

11、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,通過調(diào)用api 可實現(xiàn)zig bee 標(biāo)準(zhǔn)中各層次的相應(yīng)功能。3.1 終端節(jié)點軟件設(shè)計 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(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)測工作方式,其工作過程為:先設(shè)定一個監(jiān)測周期,監(jiān)測周期之外的時間,各個節(jié)點進(jìn)入睡眠狀態(tài); 到達(dá)檢測周期后,各個節(jié)點被喚醒,等待協(xié)調(diào)器節(jié)點收集數(shù)據(jù); 當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令后,各個終端節(jié)點進(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。另外,終端節(jié)點本身帶有報警模塊,可以脫離監(jiān)控

12、中心,作為一個獨立功能設(shè)備使用。終端節(jié)點的程序流程圖如圖5 所示。圖3-1 終端節(jié)點程序流程圖3.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計 控制中心軟件設(shè)計主要包括兩方面內(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(jìn)行循環(huán)顯示。監(jiān)控中心程序流程圖如圖6 所示圖3-2 監(jiān)控中心控制流程圖3.3 gprs 模塊軟件設(shè)計 本設(shè)計采用sms 短信方式實現(xiàn)室內(nèi)出現(xiàn)火災(zāi)和煤

13、氣泄漏災(zāi)害的及時報警。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,gprs 模塊把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到主人手機中。gprs 模塊建立無線通道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸主要是靠at 命令控制完成的。第四章 系統(tǒng)測試 在臥室和廚房內(nèi)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(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 個終端節(jié)點的溫度傳感器放入0 50 水中進(jìn)行模擬,將該系統(tǒng)的測量值與標(biāo)準(zhǔn)溫度計測得的溫度值進(jìn)行對比,測試結(jié)果如表1 所示。傳感器所測的溫度值與

14、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(dāng)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。表4-1 室內(nèi)溫度測試結(jié)果第五章 結(jié)論 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)測系統(tǒng)。實現(xiàn)了對室內(nèi)的甲醛、co、 煙霧和溫度等數(shù)據(jù)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(shè)計，我進(jìn)一步深入的學(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)用到我們的實際生活當(dāng)中，同時也意識到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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。參考文獻(xiàn)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)計與實現(xiàn)j. 計算機工程與設(shè)計,2007,28 ( 7) :2320 - 2322.2李忠成. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計j. 計算機測量與控制,2008,16( 7) : 929 - 931.3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.