课程设计
班 级： 通信10-2
姓 名： 王佩
学 号： 1006030219
指导教师： 杨春玲
成 绩：
报告 电子与信息工程学院 信息与通信工程系
基于物联网的远程环境监测系统的设计
摘要
针对当前监控系统在室内环境监控中存在的弊端,为实现室内环境参数监测的自动化和实时性,设计了一种基于物联网技术的室内环境参数远程监测系统。该系统综合运用无线传感器网络技术、 嵌入式计算技术、GPRS 无线通信技术。重点介绍了监控中心和终端节点的设计思路和软硬件实施方案。实验表明: 该系统成本低、 功耗小,使用简单,工作稳定,测量精度较高,具有较高的实用价值。
关键词: 物联网; 室内环境远程监测; 无线传感网络; 通用分组无线业务
目录
摘要................................................................ 1
1.1 引言 ........................................................ 1
1.2 总体结构与工作原理 .......................................... 1
第二章 系统硬件设计................................ 错误！未定义书签。
2.1 终端节点的硬件设计 .......................................... 3
2.2 监控中心硬件设计 ............................................ 4
第三章 系统软件设计................................................. 5
3.1 终端节点软件设计 ............................................ 5
3.2 监控中心软件设计 ............................................ 6
3.3 GPRS 模块软件设计 ........................................... 6
第四章 系统测试..................................................... 7
第五章 结论......................................................... 7
参考文献............................................................ 8
第一章 绪论
1.1 引言
物联网是新一代的信息技术,是物与物互联的网络,英文名是“The Internet of things”。通过各种信息传感设备,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程,采集各种需要的信息,与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人,所有的物品与网络的连接,方便识别、管理和控制。GSM是全球移动通信系统,技术成熟,资费低,已广泛应用。我国经济的高速发展导致了一系列问题,自然环境急剧恶化,矿山爆炸,森林火灾等事故不断， 家庭失火、 煤气中毒更是是现实生活中经常出现的家庭灾害,随着经济的发展和人民生活水平的提高,各种原料制成建筑装饰材料已走入家庭,造成室内空气污染,公认具有代表性的化学物质是甲醛,甲醛是现在被各界普遍认为是室内第一杀手,如果甲醛含量超标对人体伤害甚为严重,这些都严重威胁人民的生命和财产安全,造成巨大的经济损失和人员安全。于是,这加强了对智能、实时、高效的环境监测系统的需求。目前,室内环境参数监测系统多数为有线方式,这种方式需要大量布线,影响室内美观,而且对系统的维护和管理也很不方便,一个节点出现问题时,会影响其他节点的工作。现在应用比较普遍的无线传感器网络主要针对户外环境恶劣、 条件复杂的区域,这些系统需要考虑数据采集、 数据融合、 数据转发及数据管理等关键问题。然而,对于特定的室内环境监测,这些系统则显得过于复杂和实用性低。本文利用物联网技术和无线通信技术,设计了一种室内环境监测系统,克服了传统方式的局域性和区域性,具有移动性强、 简单、 可靠、 经济等优点。
1.2 总体结构与工作原理
基于物联网的室内环境监测系统网络结构包括监控中心、 路由节点和终端节点三层体系结构,系统框架结构如图1所示。监控中心与终端节点之间通过层次型设计构建信息传输网络。终端节点将实时采集的室内信息通过层次性网络传输到监控中心。路由节点是整个监测系统中局部监测群体的核心节点,负责转发通信和维护网内路径; 终端节点是带有传感器的子节点,负责对室内环境参数( 煤
气、甲醛、 烟雾、 温度等) 的实时监测,把监测的数据采用无线方式经路由节点传给监控中心; 监控中心显示、 存储终端节点的信息,如果有危险情况发生,蜂鸣器会发出报警声,并通过通用分组无线业务( GPRS) 模块以短信的形式把报警信息发送到住宅主人手机中。实现住宅主人对室内环境情况的远程监测功能。
图1-1 系统框架
第二章 系统硬件设计
在节点的设计过程中,考虑到低功耗的要求,硬件方面处理核心决定选择低功耗片上系统芯片CC2530。CC2530是符合Zig Bee 标准的2. 4 GHz 片上系统( system on chip,SoC) ,适用于各种Zig Bee 和Zig Bee PRO 的无线传感网络节点,包括协调器、 路由器和终端节点。CC2530 在CC2430 的基础上,根据CC2430 实际应用存在的问题进行一些改进。CC2530 是集IEEE 802. 15. 4,ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统( SoC) 解决方案。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。而且CC2530 具有不同的运行模式,当无信号时,可以进入睡眠状态; 当有信号时,可以快速转换到工作模式,使得它尤其适用于超低功耗要求的系统。CC2530 加大了缓存,最大存储容量可达256 kbyte,使用时不用再为存储容量小而对代码进行限制; CC2530 的通信距离可达400 m,不再需要像
CC2430 那样外加功放扩展传输距离。 代码从CC2430 移植到CC2530 只需少量修改,并且CC2530 支持最新的2007 /PRO( Professional) 协议栈,且价格较便宜。
2.1 终端节点的硬件设计
终端节点作为系统最底层的设备,起着至关重要的作用。终端节点是带传感器的网络子节点,以CC2530 作为核心。信息终端节点的硬件结构框图如图2 所示。终端节点的功能模块包括: 传感器模块、 电源管理模块、 报警模块和继电器模块。
图2-1 终端节点硬件结构图
传感器模块是监测节点重要组成部分负责完成室内相关数据的采集。信息终端节点根据它所安放的位置和监测数据类型的不同,一般安装不同的传感器。为了减少对CPU 资源的占用,一般采用数字化传感器,数字化传感器可方便传感器模块接口的设计。报警模块用于当监测数据出现异常时给予报警提醒。终端节点将采集到的甲醛浓度信号、 烟雾信号、 煤气信号和温度信号等经过微控制器处理后,经路由节点传送到监控中心。继电器模块通过CC2530 输出的高低电平作为驱动电路的控制信号,通过驱动电路控制继电器中电磁线圈吸合与断开,从而控制风扇、 空调和窗户等设备外电路的闭合与开路。其驱动电路如图3 所示。
图2-2 继电器驱动电路
2.2 监控中心硬件设计
监控中心由中央处理单元、 液晶显示模块、 协调器模块、 报警模块、GPRS 模块组成,硬件结构框图如图4 所示。中央处理单元采用三星公司推出的微处理器S3C2440A,S3C2440A 核心处理器( CPU) 是ARM920T 的RISC 处理器,具有低价格、 低功耗、 高性能的特点,并且提供一种完整的通用系统外设,减少整体系统成本。GPRS 无线模块采用西门子公司最新推出的MC37i,MC37i 性能稳定、 体积小、 重量轻、 功耗低,具备快速GPRS 技术,参数设置严谨,并提供了2 个独立串口,支持GPRS 数据通讯与AT 指令并行操作; 并且永久在线连接、 快速数据存储和更快的数据下载速度。协调器节点采用与终端节点相同的芯片CC2530。协调器节点其实就是一个功能更强的信息终端节点,它的处理能力和通信能力更强,信息存储量大等,主要作用是启动控制命令的发送、 接纳终端节点加入、 转发信息终端节点数据至监控中心等。
图2-3 监控中心硬件结构框图
第三章 系统软件设计
基于通用性和便于开发的考虑,节点的软件设计移植了TI 公司的Z-Stack 协议栈,Z-Stack 协议栈符台Zig Bee2006 规范,功能强大,它包含了Zig Bee 标准描述的各层次的功能组件模块,向开发人员提供了一系列的API 接口,通过调用API 可实现Zig Bee 标准中各层次的相应功能。
3.1 终端节点软件设计
因为节点在不同的工作模式下的功耗差别非常大,将体眠、 唤醒、 工作等这些不同的工作模式有机的组合起来,使其既能有效地完成任务,又能最大限度地减少能耗。所以,在这里采用了周期性监测工作方式,其工作过程为:先设定一个监测周期,监测周期之外的时间,各个节点进入睡眠状态; 到达检测周期后,各个节点被唤醒,等待协调器节点收集数据; 当协调器发出数据采集命令后,各个终端节点进行数据采集,并将数据信息传送给协调器节点。另外,终端节点本身带有报警模块,可以脱离监控中心,作为一个独立功能设备使用。终端节点的程序流程图如图5 所示。
图3-1 终端节点程序流程图
3.2 监控中心软件设计
控制中心软件设计主要包括两方面内容: 一方面负责组建网络; 另一方面将协调器节点采集的数据传送到S3C2440A。当S3C2440A 接收到数据后进行处理,并且判断数据是否超过警戒线,如果超过警戒线蜂鸣器就报警,同时把报警信息通过GPRS 模块以短信的形式发送到住宅的主人手机中,以便及时处理,并将各个房间的监测信息在液晶显示器上进行循环显示。监控中心程序流程图如图6 所示
图3-2 监控中心控制流程图
3.3 GPRS 模块软件设计
本设计采用SMS 短信方式实现室内出现火灾和煤气泄漏灾害的及时报警。S3C2440A 接收CC2530 外部采集的数据,然后通过串口发送给GPRS 模块,最终, GPRS 模块把数据转发到主人手机中。GPRS 模块建立无线通道进行数据传输主要
是靠AT 命令控制完成的。
第四章 系统测试
在卧室和厨房内分别布置3 个终端节点,对房间的温度、 烟雾监测,路由节点布置在卧室和厨房的门口,将监控中心布置在客厅,对监测的数据进行分析和处理。温度传感器采用防水型DS18B20、 烟雾传感器采用NIS-09C。将6 个终端节点的温度传感器放入0~ 50 ℃ 水中进行模拟,将该系统的测量值与标准温度计测得的温度值进行对比,测试结果如表1 所示。传感器所测的温度值与温度计所测的温度值并不完全相等,存在一定的误差,相差约为0. 3 ℃ ,但误差范围比较小,可以接受。测试烟雾浓度是通过在一个敞口的铁桶中燃烧一些东西,然后把烟雾传感器放到桶口,当烟雾的浓度较大时,蜂鸣器会报警,同时主人的手机中收到报警信息。
表4-1 室内温度测试结果
第五章 结论
本文采用物联网技术和GPRS 无线远程传输技术,构造了一种家居室内环境参数远程监测系统。实现了对室内的甲醛、CO、 烟雾和温度等数据实时采集和
处理,如有异常情况出现时,蜂鸣器会报警,并将报警信息发送到主人手机中,以便及时采取措施。实验测试表明: 该系统灵敏度高、 运行稳定、 实时性强,而且成本低、 功耗小和易于扩展。通过本次课程设计，我进一步深入的学习了物联网技术和无线远程传输技术，并且掌握了如何将物联网技术应用到我们的实际生活当中，同时也意识到物联网技术的强大以及对我们现代生活和未来世界的无可取代的作用。
参考文献
[1]王春雷,黄玉,柴乔林,等. 基于无线传感器网络的火灾监控系统设计与实现[J]. 计算机工程与设计,2007,28 ( 7) :2320 - 2322.
[2]李忠成. 基于无线传感器网络的环境监测系统研究与设计[J]. 计算机测量与控制,2008,16( 7) : 929 - 931.
[3]晏均,周群彪,谢晓阳. 基于无线传感器网络的室内火灾系统[J]. 中国民航飞行学院学报,2009,20( 2) : 45 - 47.
[4]李宗醒,闰超,丁建宁,等. 基于Super-Zig Bee 的高大建筑物台风监测系统[J]. 仪表技术与传感器,2011( 10) : 44 - 45.
[5]张登宏. 煤矿安全检测系统的物联网技术研究[J]. 煤炭技术,2011,30( 12) : 95 - 97.
[6]鲜晓东,常超,胡颖,等. 基于WSNs 和GSM 的室内环境监测预警系统设计[J]. 传感器与微系统,2011,30( 6) : 141 -144.
8
课程设计
班 级： 通信10-2
姓 名： 王佩
学 号： 1006030219
指导教师： 杨春玲
成 绩：
报告 电子与信息工程学院 信息与通信工程系
基于物联网的远程环境监测系统的设计
摘要
针对当前监控系统在室内环境监控中存在的弊端,为实现室内环境参数监测的自动化和实时性,设计了一种基于物联网技术的室内环境参数远程监测系统。该系统综合运用无线传感器网络技术、 嵌入式计算技术、GPRS 无线通信技术。重点介绍了监控中心和终端节点的设计思路和软硬件实施方案。实验表明: 该系统成本低、 功耗小,使用简单,工作稳定,测量精度较高,具有较高的实用价值。
关键词: 物联网; 室内环境远程监测; 无线传感网络; 通用分组无线业务
目录
摘要................................................................ 1
1.1 引言 ........................................................ 1
1.2 总体结构与工作原理 .......................................... 1
第二章 系统硬件设计................................ 错误！未定义书签。
2.1 终端节点的硬件设计 .......................................... 3
2.2 监控中心硬件设计 ............................................ 4
第三章 系统软件设计................................................. 5
3.1 终端节点软件设计 ............................................ 5
3.2 监控中心软件设计 ............................................ 6
3.3 GPRS 模块软件设计 ........................................... 6
第四章 系统测试..................................................... 7
第五章 结论......................................................... 7
参考文献............................................................ 8
第一章 绪论
1.1 引言
物联网是新一代的信息技术,是物与物互联的网络,英文名是“The Internet of things”。通过各种信息传感设备,实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程,采集各种需要的信息,与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人,所有的物品与网络的连接,方便识别、管理和控制。GSM是全球移动通信系统,技术成熟,资费低,已广泛应用。我国经济的高速发展导致了一系列问题,自然环境急剧恶化,矿山爆炸,森林火灾等事故不断， 家庭失火、 煤气中毒更是是现实生活中经常出现的家庭灾害,随着经济的发展和人民生活水平的提高,各种原料制成建筑装饰材料已走入家庭,造成室内空气污染,公认具有代表性的化学物质是甲醛,甲醛是现在被各界普遍认为是室内第一杀手,如果甲醛含量超标对人体伤害甚为严重,这些都严重威胁人民的生命和财产安全,造成巨大的经济损失和人员安全。于是,这加强了对智能、实时、高效的环境监测系统的需求。目前,室内环境参数监测系统多数为有线方式,这种方式需要大量布线,影响室内美观,而且对系统的维护和管理也很不方便,一个节点出现问题时,会影响其他节点的工作。现在应用比较普遍的无线传感器网络主要针对户外环境恶劣、 条件复杂的区域,这些系统需要考虑数据采集、 数据融合、 数据转发及数据管理等关键问题。然而,对于特定的室内环境监测,这些系统则显得过于复杂和实用性低。本文利用物联网技术和无线通信技术,设计了一种室内环境监测系统,克服了传统方式的局域性和区域性,具有移动性强、 简单、 可靠、 经济等优点。
1.2 总体结构与工作原理
基于物联网的室内环境监测系统网络结构包括监控中心、 路由节点和终端节点三层体系结构,系统框架结构如图1所示。监控中心与终端节点之间通过层次型设计构建信息传输网络。终端节点将实时采集的室内信息通过层次性网络传输到监控中心。路由节点是整个监测系统中局部监测群体的核心节点,负责转发通信和维护网内路径; 终端节点是带有传感器的子节点,负责对室内环境参数( 煤
气、甲醛、 烟雾、 温度等) 的实时监测,把监测的数据采用无线方式经路由节点传给监控中心; 监控中心显示、 存储终端节点的信息,如果有危险情况发生,蜂鸣器会发出报警声,并通过通用分组无线业务( GPRS) 模块以短信的形式把报警信息发送到住宅主人手机中。实现住宅主人对室内环境情况的远程监测功能。
图1-1 系统框架
第二章 系统硬件设计
在节点的设计过程中,考虑到低功耗的要求,硬件方面处理核心决定选择低功耗片上系统芯片CC2530。CC2530是符合Zig Bee 标准的2. 4 GHz 片上系统( system on chip,SoC) ,适用于各种Zig Bee 和Zig Bee PRO 的无线传感网络节点,包括协调器、 路由器和终端节点。CC2530 在CC2430 的基础上,根据CC2430 实际应用存在的问题进行一些改进。CC2530 是集IEEE 802. 15. 4,ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统( SoC) 解决方案。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。而且CC2530 具有不同的运行模式,当无信号时,可以进入睡眠状态; 当有信号时,可以快速转换到工作模式,使得它尤其适用于超低功耗要求的系统。CC2530 加大了缓存,最大存储容量可达256 kbyte,使用时不用再为存储容量小而对代码进行限制; CC2530 的通信距离可达400 m,不再需要像
CC2430 那样外加功放扩展传输距离。 代码从CC2430 移植到CC2530 只需少量修改,并且CC2530 支持最新的2007 /PRO( Professional) 协议栈,且价格较便宜。
2.1 终端节点的硬件设计
终端节点作为系统最底层的设备,起着至关重要的作用。终端节点是带传感器的网络子节点,以CC2530 作为核心。信息终端节点的硬件结构框图如图2 所示。终端节点的功能模块包括: 传感器模块、 电源管理模块、 报警模块和继电器模块。
图2-1 终端节点硬件结构图
传感器模块是监测节点重要组成部分负责完成室内相关数据的采集。信息终端节点根据它所安放的位置和监测数据类型的不同,一般安装不同的传感器。为了减少对CPU 资源的占用,一般采用数字化传感器,数字化传感器可方便传感器模块接口的设计。报警模块用于当监测数据出现异常时给予报警提醒。终端节点将采集到的甲醛浓度信号、 烟雾信号、 煤气信号和温度信号等经过微控制器处理后,经路由节点传送到监控中心。继电器模块通过CC2530 输出的高低电平作为驱动电路的控制信号,通过驱动电路控制继电器中电磁线圈吸合与断开,从而控制风扇、 空调和窗户等设备外电路的闭合与开路。其驱动电路如图3 所示。
图2-2 继电器驱动电路
2.2 监控中心硬件设计
监控中心由中央处理单元、 液晶显示模块、 协调器模块、 报警模块、GPRS 模块组成,硬件结构框图如图4 所示。中央处理单元采用三星公司推出的微处理器S3C2440A,S3C2440A 核心处理器( CPU) 是ARM920T 的RISC 处理器,具有低价格、 低功耗、 高性能的特点,并且提供一种完整的通用系统外设,减少整体系统成本。GPRS 无线模块采用西门子公司最新推出的MC37i,MC37i 性能稳定、 体积小、 重量轻、 功耗低,具备快速GPRS 技术,参数设置严谨,并提供了2 个独立串口,支持GPRS 数据通讯与AT 指令并行操作; 并且永久在线连接、 快速数据存储和更快的数据下载速度。协调器节点采用与终端节点相同的芯片CC2530。协调器节点其实就是一个功能更强的信息终端节点,它的处理能力和通信能力更强,信息存储量大等,主要作用是启动控制命令的发送、 接纳终端节点加入、 转发信息终端节点数据至监控中心等。
图2-3 监控中心硬件结构框图
第三章 系统软件设计
基于通用性和便于开发的考虑,节点的软件设计移植了TI 公司的Z-Stack 协议栈,Z-Stack 协议栈符台Zig Bee2006 规范,功能强大,它包含了Zig Bee 标准描述的各层次的功能组件模块,向开发人员提供了一系列的API 接口,通过调用API 可实现Zig Bee 标准中各层次的相应功能。
3.1 终端节点软件设计
因为节点在不同的工作模式下的功耗差别非常大,将体眠、 唤醒、 工作等这些不同的工作模式有机的组合起来,使其既能有效地完成任务,又能最大限度地减少能耗。所以,在这里采用了周期性监测工作方式,其工作过程为:先设定一个监测周期,监测周期之外的时间,各个节点进入睡眠状态; 到达检测周期后,各个节点被唤醒,等待协调器节点收集数据; 当协调器发出数据采集命令后,各个终端节点进行数据采集,并将数据信息传送给协调器节点。另外,终端节点本身带有报警模块,可以脱离监控中心,作为一个独立功能设备使用。终端节点的程序流程图如图5 所示。
图3-1 终端节点程序流程图
3.2 监控中心软件设计
控制中心软件设计主要包括两方面内容: 一方面负责组建网络; 另一方面将协调器节点采集的数据传送到S3C2440A。当S3C2440A 接收到数据后进行处理,并且判断数据是否超过警戒线,如果超过警戒线蜂鸣器就报警,同时把报警信息通过GPRS 模块以短信的形式发送到住宅的主人手机中,以便及时处理,并将各个房间的监测信息在液晶显示器上进行循环显示。监控中心程序流程图如图6 所示
图3-2 监控中心控制流程图
3.3 GPRS 模块软件设计
本设计采用SMS 短信方式实现室内出现火灾和煤气泄漏灾害的及时报警。S3C2440A 接收CC2530 外部采集的数据,然后通过串口发送给GPRS 模块,最终, GPRS 模块把数据转发到主人手机中。GPRS 模块建立无线通道进行数据传输主要
是靠AT 命令控制完成的。
第四章 系统测试
在卧室和厨房内分别布置3 个终端节点,对房间的温度、 烟雾监测,路由节点布置在卧室和厨房的门口,将监控中心布置在客厅,对监测的数据进行分析和处理。温度传感器采用防水型DS18B20、 烟雾传感器采用NIS-09C。将6 个终端节点的温度传感器放入0~ 50 ℃ 水中进行模拟,将该系统的测量值与标准温度计测得的温度值进行对比,测试结果如表1 所示。传感器所测的温度值与温度计所测的温度值并不完全相等,存在一定的误差,相差约为0. 3 ℃ ,但误差范围比较小,可以接受。测试烟雾浓度是通过在一个敞口的铁桶中燃烧一些东西,然后把烟雾传感器放到桶口,当烟雾的浓度较大时,蜂鸣器会报警,同时主人的手机中收到报警信息。
表4-1 室内温度测试结果
第五章 结论
本文采用物联网技术和GPRS 无线远程传输技术,构造了一种家居室内环境参数远程监测系统。实现了对室内的甲醛、CO、 烟雾和温度等数据实时采集和
处理,如有异常情况出现时,蜂鸣器会报警,并将报警信息发送到主人手机中,以便及时采取措施。实验测试表明: 该系统灵敏度高、 运行稳定、 实时性强,而且成本低、 功耗小和易于扩展。通过本次课程设计，我进一步深入的学习了物联网技术和无线远程传输技术，并且掌握了如何将物联网技术应用到我们的实际生活当中，同时也意识到物联网技术的强大以及对我们现代生活和未来世界的无可取代的作用。
参考文献
[1]王春雷,黄玉,柴乔林,等. 基于无线传感器网络的火灾监控系统设计与实现[J]. 计算机工程与设计,2007,28 ( 7) :2320 - 2322.
[2]李忠成. 基于无线传感器网络的环境监测系统研究与设计[J]. 计算机测量与控制,2008,16( 7) : 929 - 931.
[3]晏均,周群彪,谢晓阳. 基于无线传感器网络的室内火灾系统[J]. 中国民航飞行学院学报,2009,20( 2) : 45 - 47.
[4]李宗醒,闰超,丁建宁,等. 基于Super-Zig Bee 的高大建筑物台风监测系统[J]. 仪表技术与传感器,2011( 10) : 44 - 45.
[5]张登宏. 煤矿安全检测系统的物联网技术研究[J]. 煤炭技术,2011,30( 12) : 95 - 97.
[6]鲜晓东,常超,胡颖,等. 基于WSNs 和GSM 的室内环境监测预警系统设计[J]. 传感器与微系统,2011,30( 6) : 141 -144.
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