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                        物聯網環境監測系統架構及設計探究

                        添加時間:2018/06/14 來源:未知 作者:論文定制
                        隨著科技的發展, 在生活中使用物聯網, 把傳感器與生活環境聯系起來, 改善家居環境的研究得到人們的廣泛關注.
                        以下為本篇論文正文:
                          摘 要: 結合物聯網技術, 設計與實現環境監測系統構架中的感知層、網絡層、應用層。設計和實現環境監測的系統硬件中的傳感器數據采集電路、主控處理器及周邊電路、系統通信接口電路, 完成傳感器數據采集程序與ZigBee組網設計。并借助于物聯網平臺進行系統的運行測試, 測試結果表明:環境監測系統運行狀態良好, 具有一定的應用價值。
                          
                          關鍵詞: 物聯網; ZigBee; 數據采集; 主控處理器;
                          


                         
                          Abstract: Combined with the networking technology, it is designed and implemented to realize the sensing layer, the network layer and the application layer in the framework of the environment monitoring system. It designs and implements the sensor data acquisition circuit, the main control processor, the peripheral circuit and the system communication interface circuit in the system hardware of the environment monitoring, and finishes the sensor data acquisition program and the design of the ZigBee networking. The running test of the system is carried out by means of the Internet of Things platform, and the test results show that the environment monitoring system has a good running state and has a certain application value.
                          
                          Keyword: internet of things; zigbee; data acquisition; main control processor; 

                                隨著社會的不斷進步、工業的發展, “霧霾”這個名詞頻繁出現在新聞媒體上。人們對環保的要求、對生活環境中溫度和濕度等舒適度的要求在逐漸地提高。隨著科技的發展, 在生活中使用物聯網, 把傳感器與生活環境聯系起來, 改善家居環境的研究得到人們的廣泛關注。
                          
                          本文基于物聯網平臺的環境監測系統, 設計出環境監測系統構架、環境監測的系統硬件與軟件, 并進行系統的運行測試。力求實現通過傳感器把可測的環境數據轉變成相應的D/A信號, 并由Zig Bee網絡發送至主控處理器中處理, 再使用網絡接口把數據發送到物聯網平臺上, 在平臺上實時顯示出環境數據, 用戶通過手機和移動設備就可以便捷地查看到環境數據的目的。
                          
                          1、 物聯網平臺的介紹
                          
                          物聯網平臺是通過應用程序編程接口, 支持多種網絡的接入, 將不同功能的傳感器、測量儀器和儀表接入平臺, 并使用軟件來完成對儀器的控制。主要有個人門戶功能, 數據存儲和分析, 儀表無縫接入和手機App功能, 在環境監測、智慧農業、資產管理、智能生活、工業生產中有著廣泛的應用。目前國內較成熟的物聯網平臺有阿里云、海爾U+、百度云天工等。
                          
                          2、 物聯網的環境監測系統構架設計
                          
                          物聯網的環境監測系統構架自下而上可以分為三個部分:感知層、網絡層、應用層。由這三個部分實現數據識別采集、自動控制--物物互聯的網絡傳輸--處理反饋和綜合管理的功能。
                          
                          2.1、 感知層的構建
                          
                          系統的感知層由負責環境數據采集的傳感器構建而成, 系統中的主要檢測對象為家居環境或者校園中的溫度、濕度、PM2.5顆粒物的濃度, 因此在傳感器的選擇上要兼顧性能和價格, 以及實用性。經過綜合的考慮, 選用溫濕度傳感器DHT11, DHT11是已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器, 它使用數字信號進行采集與傳輸, 該產品的可靠性和穩定性較高, 同時還具有超快響應、較強的抗干擾能力、價格低廉的優勢, 產品的功耗較低, 適用于各種尺寸的電路[1].
                          
                          在PM2.5顆粒物濃度傳感器的選取上, 考慮使用攀藤PMS5003.它是用激光散射原理來測量顆粒物濃度傳感器, 具有零錯誤報警率。它在工作時響應速度快并可連續采集大氣環境中顆粒物的數量和分布, 把測得數值轉換成顆粒物濃度, 而后使用數字接口輸出數據。該傳感器可通過接口安裝在環境監測系統的采集電路中, 提供出實時的顆粒物濃度數據[2].
                          
                          2.2、 網絡層的構建
                          
                          物聯網是物與物的網絡連接, 其要點在使用網絡來匯集感知層的監測數據。在物聯網中, 網絡層的工作是把感知層輸出數據進行安全可靠的傳送, 目前Wi-Fi、無線通訊等技術的應用較廣。與此同時短距離無線通訊的應用也得到快速的發展, 常用的有:Zig Bee、Bluetooth和紅外。[3]
                          
                          通過對比, 兼顧實用和易用性, 選擇Zig Bee技術。它是一種新型的雙向無線通訊技術, 由此來構建網絡層。Zig Bee的主要工作頻段為2.4GHz、868MHz和915MHz, 它的傳輸速率較低, 最高為250kbit/s, 它能覆蓋10~75m的范圍, 主要特點為低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量、高安全、免執照頻段。[4]
                          
                          2.3、 應用層的構建
                          
                          物聯網的首要工作就是應用感知層和網絡層的信息, 應用層的工作是處理感知層和網絡層的數據, 根據數據做出反饋, 實現環境監測系統的綜合管理。應用層的選擇使用物聯網平臺完成構建。
                          
                          2.4、 環境監測系統總體架構設計
                          
                          綜上可知, 環境監測系統的感知層使用DHT11和PMS5003, 測得環境參數, 再轉換成D/A信號。網絡層使用Zig Bee技術組網與作為中介, 把采集的D/A信號送入主控處理器中, 主控處理器負責數據的協調處理, 協調網絡, 把處理結果送至物聯網平臺, 通過物聯網平臺定位和監測各節點的信息和數據[5].完成系統的設計后, 即可使用電腦和手機的軟件, 實時查看被測點的環境參數。系統框圖如圖1所示。
                          
                          圖1 環境監測系統總體框圖
                          
                          
                          
                          3、 環境監測系統硬件與軟件的設計與實現
                          
                          系統的硬件主要包含:傳感器數據采集電路、主控處理器及周邊電路和系統通信接口電路。
                          
                          3.1、 傳感器數據采集電路實現
                          
                          數據采集傳感器選擇的是DHT11溫濕度傳感器和攀藤PMS5003, 他們輸出的均是數字信號, 配合Zig Bee模塊 (CC2530) 的數據處理功能, 進行數據的采集。
                          
                         。1) CC2530的簡介。CC2530是TI公司出品的增強型8051MCU, 一體化的真正的片上系統解決方案。它集成了單周期8051內核, 通過SFR總線, 把CPU、DMA控制器、物理存儲器與外設相連。8-KB的SRAM映射到DATA存儲與部分XDATA存儲中。能以極低的成本建立起強大的網絡節點。[6]
                          
                         。2) 數據采集電路。由于溫濕度傳感器DHT11與PM2.5濃度傳感器PMS5003輸出的均是數字信號, 傳感器數據采集的CC2530就需要提供相應的數字接口。設計CC2530的電路時, 應具有單片機最小系統的特性, 所以傳感器數據采集電路擁有復位電路、時鐘電路、指示電路和RF收發電路, 如圖2所示。
                          
                          圖2 CC2530及外設電路原理圖
                          
                          
                          
                         。1) 復位電路 (RESET) 由10k上拉電阻R3、電容C7組成, CC2530的復位引腳RESET有上電、掉電復位, 看門狗復位, 低電平復位這四種功能, 可使用軟件設置寄存器來實現前三種復位。電路中, 電源VDD通過R3給C7充電, 此時RESET是高電平, 單片機工作, 點擊RESET后C7放電, RESET為低電平, 單片機為復位。
                          
                         。2) 時鐘振蕩的電路。CC2530中含有16M、31k RC振蕩器和外接32M、32.768k石英晶振。32M晶振的啟動時間對于某些應用顯得時間過長, CC2530先在16M的振蕩器上快速運行, 穩定后切換到32M晶振上。外部的32.768k晶振的作用是提供時鐘信號。為了優化系統中數據的接收和發送, 選擇使用外接32M晶振和32.768k晶振。
                          
                         。3) RF收發電路。電路中使用濾波電容, 增加穩定性。其中溫濕度傳感器DHT11的2腳為輸出端, 在DHT11的電路中加入10k的上拉電阻R6.然后把DHT11的2腳與CC2530的P0_7腳 (網絡標號DHT11) 連接。PMS5003通過RXD和TXD兩個引腳與CC2530相連, 由此完成了電路設計。[7]
                          
                         。3) 系統電源選擇。系統電源使用電源適配器供電和電池供電兩種方式, 可以提供系統需要的5V與3.3V供電。
                          
                          3.2、 主控處理器及周邊電路設計與實現
                          
                          使用Arduino UNO R3作為主控處理器。它是Arduino家族中最常用、便捷的開源電子平臺。它具有開源的I/O接口板和多種語言的開發環境。
                          
                         。1) Arduino的電路板。Arduino UNO R3的硬件包含USB接口、54路的數字傳輸I/O接口、16MHz的晶振、電源插座、ICSP接口和RESET按鈕。Arduino UNO R3有插座外接直流電源供電、電池供電、USB供電三種方式, 并且可以自動選擇。I/O接口的驅動能力強, 驅動電流為40m A.它還具有256k的FLASH存儲器, 8k的SRAM運存, 4k的可擦可編程只讀存儲器 (EEPROM) .[8]
                          
                         。2) 主控處理器電路。主控處理器作用是處理Zig Bee網絡發來的采集數據與控制物聯網平臺進行通信[9], 它包含兩個串口--CC2530通信端口 (數據收發) 、網絡通信端口 (數據收發) , 而Arduino UNO R3具有系統所需求的四個串口。主控處理器電路含有復位與晶振電路, 同時連接所有I/O接口, 方便擴展。主控處理器電路PCB圖, 如圖3所示。
                          
                          圖3 主控處理器電路PCB圖
                          
                          
                          
                         。3) 網絡通信接口電路。系統選擇的芯片為W5500以太網網絡模塊, W5500的特點是全硬件TCP/IP協議棧, 通過SPI (高速串行外設接口) 連接網絡。它支持TCP、UDP、ICMP、IPv4、ARP、IGMP、PPPo E協議, 經過多年應用, 技術成熟可靠。W5500使用32KB收發緩存作為其數據通信內存。
                          
                          3.3、 傳感器數據采集程序的設計
                          
                          由于系統使用DHT11與PMS5003輸出的是數字信號, 理論上只需讓CC2530準確讀取數據采集的信息就可以了, 但在測試應用中, 往往要考慮諸多因素的干擾。數據采集傳感器的工作環境不同, 且易受到干擾, 使處理器最終得到的數據產生誤差。因此為保證得到真實有效的采集數據, 在對傳感器數據采集程序設計時就要考慮濾波算法的選擇。在權衡之后, 考慮到被測環境數據主要為室內家居和校園宿舍樓, 方案使用中位值濾波法--連續采樣N次 (N為奇數) , 把N次采樣值按大小排列, 取中間值為本次有效值。中位值濾波法的優點是能克服因偶發因素引起的波動干擾, 適用于采集變化緩慢的環境參數 (家居環境和校園宿舍環境) .當然它的缺點是對變化較快的環境參數檢測不準確。[9]
                          
                          3.4、 Zig Bee組網的設計與實現
                          
                          Zig Bee是一種新型的通信協議, 它具有傳輸距離短、功耗低、數據傳輸速率低的特點。該協議有五層, 自下而上分別是物理層 (PHY) 、媒體訪問控制層 (MAC) 、傳輸層 (TL) 、網絡層 (NWK) 、應用層 (APL) , 處于最底的兩層遵守IEEE 802.15.4標準[10].
                          
                          在Zig Bee協議中的節點設備主要有:終端 (end) 、路由器 (router) 、協調器 (coordinator) .
                          
                          協調器的主要作用是進行最高權限的網絡維護, 實現多級通信功能, 一個Zig Bee網絡中只能有一個協調器;路由器的主要作用是轉發節點信息;終端節點的主要作用是進行數據采集, 并且完成實時數據的傳輸[11].Zig Bee網絡的拓撲結構主要有星形、樹形和網狀結構。系統使用樹形網絡組網, 因此需要對終端、路由器和協調器進行程序設計。其程序流程如圖4、圖5所示。
                          
                          圖4 協調器程序流程
                          
                          
                          
                          圖5 路由器程序流程及終端程序流程
                          
                          
                          
                          3.5、 主控處理器與網絡通信接口程序的設計與實現
                          
                          Zig Bee樹形網絡通過主控處理器和網絡接口組建, 整個系統數據和指令都是經由主控處理器處理和網絡通信接口進行發送[12], 它們是環境監測系統中數據傳遞的紐帶, 其程序流程圖如圖6所示。
                          
                          圖6 主控處理器處理數據流程圖
                          
                          
                          
                          4、 環境監測系統的運行測試結果
                          
                          在完成環境監測系統的設計后, 進行測試工作。首先打開Flash_Downland_Tools工具軟件, 把節點的程序和主控處理器的文件寫入, 通用USB線接上電腦。做完以上工作之后, 連接網絡, 打開物聯網平臺, 即可進行系統的運行測試。
                          
                          通過物聯網平臺的解決方案, 可以使用智能手機、電腦進行實時數據查看, 以Andorid設備為例, 在手機App軟件上查看具體的功能。同時由于監測系統在設計之初就考慮到擴展性, 后期可以在系統中添加多個終端數據采集節點。通過觀察已完成節點, 得到了被測點的PM2.5濃度、溫度、濕度情況曲線圖 (周期為30天) , 其測試數據如圖7所示。
                          
                          圖7 系統PM2.5濃度、溫度、濕度變化曲線圖
                          
                          
                          
                          5、 結語
                          
                          借助物聯網平臺, 研究了物聯網的環境監測系統的整體構架, 對環境監測系統硬件與軟件進行了設計。為了驗證設計的結果, 對被測點30天內的PM2.5濃度、溫度、濕度數據繪制曲線圖, 并且與標準的PM2.5顆粒物濃度、溫度、濕度測試儀數據相比較。測試結果表明:該系統具有一定應用價值, 完成了基于物聯網的環境監測系統的實現。不足之處是系統的采集器較少, 目前只測試了PM2.5濃度、溫度、濕度, 系統軟件還需針對多采集器進行優化。下一步將繼續添加環境監測傳感器, 完成環境監測系統的優化。
                          
                          參考文獻:
                          
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