1、課程設(shè)計(jì)專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告班 級(jí)： 通信10-2 姓 名： 王佩 學(xué) 號(hào)： 1006030219 指導(dǎo)教師： 楊春玲 成 績(jī)： 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(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要針對(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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 嵌入式計(jì)算技術(shù)、gprs 無(wú)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)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。關(guān)鍵詞: 物聯(lián)網(wǎng); 室內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);

2、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò); 通用分組無(wú)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(jì)22.1 終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)32.2 監(jiān)控中心硬件設(shè)計(jì)4第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)53.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)53.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)63.3 gprs 模塊軟件設(shè)計(jì)6第四章 系統(tǒng)測(cè)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(guò)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(guò)程,采集各種需要的信息,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

3、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(wèn)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

4、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(wèn)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要針對(duì)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(wèn)題。然而,對(duì)于特定的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè),這些系統(tǒng)則顯得過(guò)于復(fù)雜和實(shí)用性低。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù),設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),克服了傳統(tǒng)方式的局域性和區(qū)域性,具有移動(dòng)性強(qiáng)、 簡(jiǎn)單、 可靠、 經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。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(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)

5、點(diǎn)之間通過(guò)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(guò)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) 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),把監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采用無(wú)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(guò)通用分組無(wú)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。圖1-1 系統(tǒng)框架第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)過(guò)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(wú)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(wèn)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(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(wú)信號(hào)時(shí),可以進(jìn)入睡眠

7、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2007 /pro( professional) 協(xié)議棧,且價(jià)格較便宜。2.1 終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 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

8、 所示。終端節(jié)點(diǎn)的功能模塊包括: 傳感器模塊、 電源管理模塊、 報(bào)警模塊和繼電器模塊。圖2-1 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖 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(lèi)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)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(guò)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(guò)cc2530 輸出的高低電平作為驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào),通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制繼電器中電磁線圈吸

9、合與斷開(kāi),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(kāi)路。其驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示。圖2-2 繼電器驅(qū)動(dòng)電路2.2 監(jiān)控中心硬件設(shè)計(jì) 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(wú)線模塊采用西門(mén)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(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(jì) 基于通用性和便于開(kāi)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

11、各層次的功能組件模塊,向開(kāi)發(fā)人員提供了一系列的api 接口,通過(guò)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。3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 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(lái),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(guò)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); 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

12、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。圖3-1 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖3.2 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì) 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(guò)警戒線,如果超過(guò)警戒線蜂鳴器就報(bào)警,同時(shí)把報(bào)警信息通過(guò)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 所示圖3-2 監(jiān)控中心控制流程圖3.3 gprs 模塊軟件設(shè)計(jì) 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

13、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(guò)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(jī)中。gprs 模塊建立無(wú)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(cè)試 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(mén)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)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

14、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(guò)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。表4-1 室內(nèi)溫度測(cè)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(wú)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(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步深入的學(xué)習(xí)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無(wú)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(lái)世界的無(wú)可取代的作用。參考文獻(xiàn)1王春雷,黃玉,柴喬林,等. 基于無(wú)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) :2320 - 2322.2李忠成. 基于無(wú)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 - 931.3晏均,周群彪,謝曉陽(yáng). 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)火災(zāi)系統(tǒng)j.