基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張文祥 李志軍 張智勇 張洪全

摘 要：為了克服傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的不足，提高信息化管理程度，文中將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)控制器、GSM模塊、ZigBee模塊、傳感器集群和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。實(shí)踐表明：該系統(tǒng)運(yùn)行良好，具有低功耗、低成本和網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，接收發(fā)送數(shù)據(jù)相對(duì)比較穩(wěn)定，可以達(dá)到最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)控系統(tǒng)；穩(wěn)定

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）05-00-02

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT）是通過(guò)傳感設(shè)備，按照特定協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、跟蹤、定位、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)主要分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層[2]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的感知層，它由大量低功耗、低成本，具有信息感知和通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成[3]。

為了克服傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的不足，降低監(jiān)控成本，提高信息化管理程度，本文將物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)與監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)能夠提供自動(dòng)監(jiān)測(cè)與控制、自動(dòng)報(bào)警等功能的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種監(jiān)控信息數(shù)據(jù)的采集、傳輸和存儲(chǔ)，在監(jiān)控信息數(shù)據(jù)超出警戒值時(shí)可以進(jìn)行報(bào)警提示，同時(shí)能夠?qū)ΡO(jiān)控目標(biāo)進(jìn)行控制。可以通過(guò)移動(dòng)終端或者互聯(lián)網(wǎng)對(duì)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)諸如開(kāi)關(guān)機(jī)、調(diào)整參數(shù)設(shè)置等功能。

本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，數(shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)傳感器集群采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)信息，送至現(xiàn)場(chǎng)控制器進(jìn)行分析處理，并經(jīng)GSM和ZigBee模塊將監(jiān)控對(duì)象的數(shù)據(jù)信息傳輸至移動(dòng)終端或互聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)，接收由移動(dòng)終端或互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)GSM、ZigBee模塊傳來(lái)的控制信號(hào)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)監(jiān)控對(duì)象進(jìn)行控制。系統(tǒng)中所使用的傳感器和控制設(shè)備的性能，會(huì)直接影響到系統(tǒng)的整體性能。建議選用集成化的數(shù)字式傳感器，且最好具備工作能耗低、體積小，對(duì)工作環(huán)境限制少等特點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)連接的控制設(shè)備同樣也需要對(duì)耗能方面有一定的要求，同時(shí)其控制指令也應(yīng)當(dāng)盡量簡(jiǎn)單，減少數(shù)據(jù)的傳輸量。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 GSM模塊硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的GSM模塊采用的是GTM900-B，通過(guò)該模塊引出的RX、TX接口可以直接與單片機(jī)對(duì)應(yīng)的RX、TX相連，這樣，模塊和單片機(jī)之間就可以進(jìn)行正常通信。GSM模塊的硬件電路原理如圖2所示。

2.2 ZigBee無(wú)線模塊硬件設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功率、低速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，CC2430是用于2.4 GHz 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[4]。本設(shè)計(jì)選用的CC2430芯片只需要配合少數(shù)外圍元器件就能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的接收和發(fā)送。

ZigBee無(wú)線模塊硬件電路如圖3所示，整個(gè)模塊通過(guò)一根天線進(jìn)行信號(hào)的接收和發(fā)送。

2.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器直接使用 I2C接口進(jìn)行控制，光敏探頭經(jīng)運(yùn)放處理后輸出電壓信號(hào)到AD輸入。I2C接口將同時(shí)連接E2PROM以及溫濕度傳感器兩個(gè)設(shè)備，將采用不同I2C設(shè)備地址的方式進(jìn)行區(qū)分，其電路原理圖如圖 4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在搭建的硬件平臺(tái)上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必不可少的部分，在基礎(chǔ)硬件平臺(tái)上，軟件直接和用戶進(jìn)行交互，軟件設(shè)計(jì)直接影響著系統(tǒng)的性能。

圖4 溫濕度傳感器電路圖

系統(tǒng)發(fā)射部分的軟件流程圖如圖5所示。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，程序開(kāi)始初始化，把ZigBee設(shè)為發(fā)射模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，然后延時(shí)10 ms循環(huán)到發(fā)射模式。

圖5 系統(tǒng)發(fā)射部分的軟件流程圖

系統(tǒng)接收部分的軟件流程圖如圖6所示。接收數(shù)據(jù)時(shí)，程序開(kāi)始初始化，把ZigBee設(shè)置為發(fā)射模式，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，看是否發(fā)送兩次，若不是，則延時(shí)10 ms循環(huán)到發(fā)送數(shù)據(jù)；若發(fā)送兩次，則把ZigBee設(shè)置為接收模式，若沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)，則返回到接收模式下繼續(xù)接收數(shù)據(jù)；若接收到數(shù)據(jù)，則進(jìn)入睡眠模式，進(jìn)行10 ms的定時(shí)喚醒，再返回到發(fā)射模式。

底層軟件直接運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)之中，主要實(shí)現(xiàn)以下三方面的功能：

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)接收到的指令執(zhí)行相應(yīng)的工作；

（2）傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)能夠采集監(jiān)控對(duì)象的各種信息，并將采集到的信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)控制器；

（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)可將接收到的控制指令發(fā)送給要控制設(shè)備。

圖6 系統(tǒng)接收部分軟件流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

在利用ZigBee無(wú)線傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了基于物聯(lián)網(wǎng)的多點(diǎn)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)相對(duì)比較穩(wěn)定，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)，與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)還具有低成本、低功耗和網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)。

值得注意的是，數(shù)據(jù)采集及無(wú)線通信部分容易受到外界的干擾。所以在安放傳感器時(shí)，要注意選擇合適的位置，既要客觀、準(zhǔn)確地檢測(cè)到監(jiān)控對(duì)象的信息數(shù)據(jù)，又要盡可能減少環(huán)境因素的影響。另外，無(wú)線數(shù)據(jù)通信方面有一定的延時(shí)，但能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。本設(shè)計(jì)整體運(yùn)作良好，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)之初的目標(biāo)功能。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙志軍，沈強(qiáng)，唐暉，等.物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和智能信息處理理論與關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011，38（8）：1-8.

[2] 李長(zhǎng)庚，劉威鵬，胡純意，等.基于ARM和ZigBee的WSN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2010，36（17）： 135-137.

[3] 楊校權(quán)，張毅，馬鈞元.LPC1227的遠(yuǎn)距離ZigBee無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（11）：34-36.

[4] 李志軍，杜麗，謝子殿.礦井下基于藍(lán)牙技術(shù)的語(yǔ)音通訊控制器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17（2）：327-328.