论文部分内容阅读
摘 要：为了克服传统监控系统的不足，提高信息化管理程度，文中将物联网技术与监控系统相结合，提出了一种基于物联网的监控系统设计方案。该系统主要由现场控制器、GSM模块、ZigBee模块、传感器集群和执行机构等组成。实践表明：该系统运行良好，具有低功耗、低成本和网络容量大等特点，接收发送数据相对比较稳定，可以达到最初的设计目标。
关键词：物联网；无线传感器网络；监控系统；稳定
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）05-00-02
0 引 言
物联网（Internet of Things， IoT）是通过传感设备，按照特定协议，把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通信，以实现智能化识别、跟踪、定位、监控和管理的一种网络[1]。物联网的体系结构主要分为应用层、网络层和感知层[2]。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）构成物联网的感知层，它由大量低功耗、低成本，具有信息感知和通信能力的传感器节点组成[3]。
为了克服传统监控系统的不足，降低监控成本，提高信息化管理程度，本文将物联网相关技术与监控系统相结合，提出了一种基于物联网的监控系统设计方案。
1 监控系统的总体设计
本系统的目标是构建一个能够提供自动监测与控制、自动报警等功能的物联网系统。能够实现对现场各种监控信息数据的采集、传输和存储，在监控信息数据超出警戒值时可以进行报警提示，同时能够对监控目标进行控制。可以通过移动终端或者互联网对监控设备进行控制，实现诸如开关机、调整参数设置等功能。
本系统的总体设计方案如图1所示，数据由现场传感器集群采集现场监控对象的数据信息，送至现场控制器进行分析处理，并经GSM和ZigBee模块将监控对象的数据信息传输至移动终端或互联网，同时，接收由移动终端或互联网经GSM、ZigBee模块传来的控制信号，通过执行机构对监控对象进行控制。系统中所使用的传感器和控制设备的性能，会直接影响到系统的整体性能。建议选用集成化的数字式传感器，且最好具备工作能耗低、体积小，对工作环境限制少等特点。节点连接的控制设备同样也需要对耗能方面有一定的要求，同时其控制指令也应当尽量简单，减少数据的传输量。
图1 系统总体设计方案
2 系统硬件设计
2.1 GSM模块硬件设计
本设计中的GSM模块采用的是GTM900-B，通过该模块引出的RX、TX接口可以直接与单片机对应的RX、TX相连，这样，模块和单片机之间就可以进行正常通信。GSM模块的硬件电路原理如图2所示。
2.2 ZigBee无线模块硬件设计
ZigBee技术是一种近距离、低功率、低速率、低成本的双向无线通信技术，CC2430是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SOC）解决方案[4]。本设计选用的CC2430芯片只需要配合少数外围元器件就能够实现信号的接收和发送。
ZigBee无线模块硬件电路如图3所示，整个模块通过一根天线进行信号的接收和发送。
2.3 温湿度传感器
温湿度传感器直接使用 I2C接口进行控制，光敏探头经运放处理后输出电压信号到AD输入。I2C接口将同时连接E2PROM以及温湿度传感器两个设备，将采用不同I2C设备地址的方式进行区分，其电路原理图如图 4所示。
3 系统软件设计
在搭建的硬件平台上进行软件设计是构建物联网系统必不可少的部分，在基础硬件平台上，软件直接和用户进行交互，软件设计直接影响着系统的性能。
图4 温湿度传感器电路图
系统发射部分的软件流程图如图5所示。发送数据时，程序开始初始化，把ZigBee设为发射模式，进行数据发送，然后延时10 ms循环到发射模式。
图5 系统发射部分的软件流程图
系统接收部分的软件流程图如图6所示。接收数据时，程序开始初始化，把ZigBee设置为发射模式，进行数据发送，看是否发送两次，若不是，则延时10 ms循环到发送数据；若发送两次，则把ZigBee设置为接收模式，若没有接收到数据，则返回到接收模式下继续接收数据；若接收到数据，则进入睡眠模式，进行10 ms的定时唤醒，再返回到发射模式。
底层软件直接运行在节点之中，主要实现以下三方面的功能：
（1）传感器节点能够自动加入网络，并根据接收到的指令执行相应的工作；
（2）传感器节点应能够采集监控对象的各种信息，并将采集到的信息数据传输到现场控制器；
（3）执行机构可将接收到的控制指令发送给要控制设备。
图6 系统接收部分软件流程图
4 结 语
在利用ZigBee无线传感器技术的基础上，设计出了基于物联网的多点监测控制系统，该系统运行良好，接收和发送数据相对比较稳定，达到了最初的设计目标，与传统监控系统相比，该系统还具有低成本、低功耗和网络容量大等特点。
值得注意的是，数据采集及无线通信部分容易受到外界的干扰。所以在安放传感器时，要注意选择合适的位置，既要客观、准确地检测到监控对象的信息数据，又要尽可能减少环境因素的影响。另外，无线数据通信方面有一定的延时，但能够满足本系统的设计需求。本设计整体运作良好，能够实现设计之初的目标功能。
参考文献
[1] 赵志军，沈强，唐晖，等.物联网架构和智能信息处理理论与关键技术[J].计算机科学，2011，38（8）：1-8.
[2] 李长庚，刘威鹏，胡纯意，等.基于ARM和ZigBee的WSN节点设计与实现[J].计算机工程，2010，36（17）： 135-137.
[3] 杨校权，张毅，马钧元.LPC1227的远距离ZigBee无线网关设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（11）：34-36.
[4] 李志军，杜丽，谢子殿.矿井下基于蓝牙技术的语音通讯控制器设计[J].计算机测量与控制，2009，17（2）：327-328.
关键词：物联网；无线传感器网络；监控系统；稳定
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）05-00-02
0 引 言
物联网（Internet of Things， IoT）是通过传感设备，按照特定协议，把任何物品与互联网连接起来进行信息交换和通信，以实现智能化识别、跟踪、定位、监控和管理的一种网络[1]。物联网的体系结构主要分为应用层、网络层和感知层[2]。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）构成物联网的感知层，它由大量低功耗、低成本，具有信息感知和通信能力的传感器节点组成[3]。
为了克服传统监控系统的不足，降低监控成本，提高信息化管理程度，本文将物联网相关技术与监控系统相结合，提出了一种基于物联网的监控系统设计方案。
1 监控系统的总体设计
本系统的目标是构建一个能够提供自动监测与控制、自动报警等功能的物联网系统。能够实现对现场各种监控信息数据的采集、传输和存储，在监控信息数据超出警戒值时可以进行报警提示，同时能够对监控目标进行控制。可以通过移动终端或者互联网对监控设备进行控制，实现诸如开关机、调整参数设置等功能。
本系统的总体设计方案如图1所示，数据由现场传感器集群采集现场监控对象的数据信息，送至现场控制器进行分析处理，并经GSM和ZigBee模块将监控对象的数据信息传输至移动终端或互联网，同时，接收由移动终端或互联网经GSM、ZigBee模块传来的控制信号，通过执行机构对监控对象进行控制。系统中所使用的传感器和控制设备的性能，会直接影响到系统的整体性能。建议选用集成化的数字式传感器，且最好具备工作能耗低、体积小，对工作环境限制少等特点。节点连接的控制设备同样也需要对耗能方面有一定的要求，同时其控制指令也应当尽量简单，减少数据的传输量。
图1 系统总体设计方案
2 系统硬件设计
2.1 GSM模块硬件设计
本设计中的GSM模块采用的是GTM900-B，通过该模块引出的RX、TX接口可以直接与单片机对应的RX、TX相连，这样，模块和单片机之间就可以进行正常通信。GSM模块的硬件电路原理如图2所示。
2.2 ZigBee无线模块硬件设计
ZigBee技术是一种近距离、低功率、低速率、低成本的双向无线通信技术，CC2430是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SOC）解决方案[4]。本设计选用的CC2430芯片只需要配合少数外围元器件就能够实现信号的接收和发送。
ZigBee无线模块硬件电路如图3所示，整个模块通过一根天线进行信号的接收和发送。
2.3 温湿度传感器
温湿度传感器直接使用 I2C接口进行控制，光敏探头经运放处理后输出电压信号到AD输入。I2C接口将同时连接E2PROM以及温湿度传感器两个设备，将采用不同I2C设备地址的方式进行区分，其电路原理图如图 4所示。
3 系统软件设计
在搭建的硬件平台上进行软件设计是构建物联网系统必不可少的部分，在基础硬件平台上，软件直接和用户进行交互，软件设计直接影响着系统的性能。
图4 温湿度传感器电路图
系统发射部分的软件流程图如图5所示。发送数据时，程序开始初始化，把ZigBee设为发射模式，进行数据发送，然后延时10 ms循环到发射模式。
图5 系统发射部分的软件流程图
系统接收部分的软件流程图如图6所示。接收数据时，程序开始初始化，把ZigBee设置为发射模式，进行数据发送，看是否发送两次，若不是，则延时10 ms循环到发送数据；若发送两次，则把ZigBee设置为接收模式，若没有接收到数据，则返回到接收模式下继续接收数据；若接收到数据，则进入睡眠模式，进行10 ms的定时唤醒，再返回到发射模式。
底层软件直接运行在节点之中，主要实现以下三方面的功能：
（1）传感器节点能够自动加入网络，并根据接收到的指令执行相应的工作；
（2）传感器节点应能够采集监控对象的各种信息，并将采集到的信息数据传输到现场控制器；
（3）执行机构可将接收到的控制指令发送给要控制设备。
图6 系统接收部分软件流程图
4 结 语
在利用ZigBee无线传感器技术的基础上，设计出了基于物联网的多点监测控制系统，该系统运行良好，接收和发送数据相对比较稳定，达到了最初的设计目标，与传统监控系统相比，该系统还具有低成本、低功耗和网络容量大等特点。
值得注意的是，数据采集及无线通信部分容易受到外界的干扰。所以在安放传感器时，要注意选择合适的位置，既要客观、准确地检测到监控对象的信息数据，又要尽可能减少环境因素的影响。另外，无线数据通信方面有一定的延时，但能够满足本系统的设计需求。本设计整体运作良好，能够实现设计之初的目标功能。
参考文献
[1] 赵志军，沈强，唐晖，等.物联网架构和智能信息处理理论与关键技术[J].计算机科学，2011，38（8）：1-8.
[2] 李长庚，刘威鹏，胡纯意，等.基于ARM和ZigBee的WSN节点设计与实现[J].计算机工程，2010，36（17）： 135-137.
[3] 杨校权，张毅，马钧元.LPC1227的远距离ZigBee无线网关设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（11）：34-36.
[4] 李志军，杜丽，谢子殿.矿井下基于蓝牙技术的语音通讯控制器设计[J].计算机测量与控制，2009，17（2）：327-328.