物聯(lián)網課程設計

1、課程設計報告班級：通信10-2姓名：王佩學 號：1006030219指導教師： 楊春玲成 績： 電子與信息工程學院信息與通信工程系基于物聯(lián)網的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計摘要針對當前監(jiān)控系統(tǒng)在室內環(huán)境監(jiān)控中存在的弊端 , 為實現室內環(huán)境參數監(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。關鍵詞: 物聯(lián)網; 室內環(huán)境遠程監(jiān)測 ; 無線傳感網絡;

2、通用分組無線業(yè)務1目錄摘要1.1 引言 11.2 總體結構與工作原理 1第二章 系統(tǒng)硬件設計 錯誤! 未定義書簽2.1 終端節(jié)點的硬件設計 32.2 監(jiān)控中心硬件設計 4第三章 系統(tǒng)軟件設計 53.1 終端節(jié)點軟件設計 53.2 監(jiān)控中心軟件設計 63.3 GPRS 模塊軟件設計 第四章 系統(tǒng)測試 7第五章 結論 7參考文獻 8第一章 緒論1.1 引言物聯(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 In ternet 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 , 采集各種需要的信息 , 與互聯(lián)網結合形成的一個巨大網絡。 其

3、目的是實 現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。GS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 氣中毒更是是現實生活中經常出現的家庭災害 ,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 ,甲醛是現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

4、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)境參數監(jiān)測系統(tǒng)多數為有線方式 , 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)點出現問題時 , 會影 響其他節(jié)點的工作?，F在應用比較普遍的無線傳感器網絡主要針對戶外環(huán)境惡 劣、 條件復雜的區(qū)域 , 這些系統(tǒng)需要考慮數據采集、 數據融合、 數據轉發(fā)及數 據管理等關鍵問題。 然而, 對于特定的室內環(huán)境監(jiān)測 , 這些系統(tǒng)則顯得過于復雜和 實用性低。本文利用物聯(lián)網技術和無線通信技術 , 設計了一種室內環(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、 經濟等優(yōu)點

5、。1.2 總體結構與工作原理基于物聯(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 到監(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 ( 煤 氣、甲醛、 煙霧、溫度等）的實時監(jiān)測，把監(jiān)測的數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（G

6、PRS）模塊以短信的形式把報 警信息發(fā)送到住宅主人手機中。實現住宅主人對室內環(huán)境情況的遠程監(jiān)測功能。 睫控中心圖1-1系統(tǒng)框架踣由誓點-第二章系統(tǒng)硬件設計在節(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 CC253Q CC253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。CC2530是集IEEE 802. 15. 4,Zi

7、gBee 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2007 /PRO( Professional)協(xié)議棧,且價格較便宜。2.1

8、終端節(jié)點的硬件設計終端節(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)點硬件結構圖傳感器模塊是監(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，一般采用數字化傳感器，數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)測數據出現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

9、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。2.2監(jiān)控中心硬件設計監(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勺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

10、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,參數設置嚴謹,并提供了 2個獨立串 口 ,支持GPRS數據通訊與AT指令并行操作；并且永久在線連接、快速數據存儲 和更快的數據下載速度。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)點數據至監(jiān)控中心等。圖2-3監(jiān)控中心硬件結構框圖第三章系統(tǒng)軟件設計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-S

11、tack 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，通過調 用API可實現Zig Bee標準中各層次的相應功能。3.1終端節(jié)點軟件設計因為節(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，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)；到達檢測周期后，各 個節(jié)點被喚醒，等待協(xié)調器節(jié)點收集數據；當協(xié)調器發(fā)出數據采集命令后，各個 終端節(jié)點

12、進行數據采集，并將數據信息傳送給協(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。圖3-1終端節(jié)點程序流程圖3.2監(jiān)控中心軟件設計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)點采集的數據傳送到S3C2440A當S3C2440A接收到數據后進行處理， 并且判斷數據是否超過警戒線，如果超過警戒線蜂鳴器就報警，同時把報警信息 通過GPRS莫塊以短信的形式發(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I：電初始化廣播伯標幀

13、建遼網第|允許肚點加人網絡專集周期時間718傳迭列倉處理器處理NY圖3-2監(jiān)控中心控制流程圖3.3 GPRS模塊軟件設計本設計采用SMS短信方式實現室內出現火災和煤氣泄漏災害的及時報警。S3C2440A接收CC2530外部采集的數據,然后通過串口發(fā)送給GPRS模塊,最終, GPRS模塊把數據轉發(fā)到主人手機中。GPRS模塊建立無線通道進行數據傳輸主要是靠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

14、6個終端 節(jié)點的溫度傳感器放入0 50 C水中進行模擬,將該系統(tǒng)的測量值與標準溫度 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 C，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。溫度計測試值（Y）26.721.328,627*932.5節(jié)點1測試值（遲）24.321. 12& 627.632. 1節(jié)點2測試值（弋）24.521 22&427.532.4節(jié)點3測試值（兀）24.72k

15、i28.327. 832.5節(jié)點4測試值（七）24.72L328.327.932.2節(jié)點5測試值（弋）24,621.328.627,632.2節(jié)點6測試值（戲）24.62L028.227.732.3表4-1室內溫度測試結果第五章結論本文采用物聯(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 參數遠程監(jiān)測系統(tǒng)。實現了對室內的甲醛、CO 煙霧和溫度等數據實時采集和 處理, 如有異常情況出現時 ,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代生活和未來世界的無 可取代的作用。參考文獻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 J. 計算機 工程與設計 ,2007,28 ( 7) :2320 - 2322.2 李忠成 . 基于無線傳感器網絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計 J. 計算機測量與控 制,2008,16( 7) : 929 - 931.3 晏均 , 周群彪 , 謝曉陽