基于物联网的监控系统的应用研究

发布时间：2016-06-19 05:28

第一章 绪论 

1.1  课题研究的背景和意义 
物联网是一个新兴的产业，物联网涵盖了电子技术、计算机技术、通讯技术、网络技术等学科，是一个多学科综合交叉的产业[2-3]。物联网发展潜力巨大，因此也被称之为继计算机、互联网之后的第三次信息产业浪潮[4-5]。在政策方面，国家大力支持物联网技术的发展，2009 年 8 月温家宝总理在视察无锡中科院物联网研究中心[6]，2011 年国家工业和信息化部发布《物联网“十二五”发展规划》，明确指出物联网已成为当今世界新一轮经济和科技的战略至高点之一。[7-8] 物联网技术是各学科的综合产物，其广泛的基础属性决定了其具有广泛的应用领域，如医疗、环境检测、智能家居控制、石化化工、电力检测、农业管理、运输、军事、消防等传统行业，基本涵盖了人类生活的各方面[9-14]。传统行业的各控制系统运行相对独立，外界无法获取其运行时的状态信息，也无法实现对各控制系统的监测与控制。当前，智能化控制得到前所未有的高速发展，人类对系统的控制要求也提高到了一定高度，不仅要是各控制系统能独立、稳定运行，更要实现远程控制，这也为物联网的发展提供了广阔的发展空间。   物联网在各领域的广泛应用，作为物联网感知层基础的传感器在各领域使用的种类和数量极其庞大，传感器硬件接口与数据访问方式千差万别，无法实现统一的管理。为了对感知层数据进行统一的管理，需要建立一个智能操作平台以实现数据的统一处理和传输。物联网对数据管理统一后即可应用于众多的监控系统中，从而减少了监控系统的的研发周期，方便在不同监控系统中进行设备的移植，减少设备维护成本。物联网同时实现了数据在互联网中共享，方便监管人员通过互联网实现远程操作，同时也方便对数据的显示、查询、获取、分析。此物联网监控系统可以应用于农业监控、医疗控制、工业检测、矿井、智能家居、酒店信息监控，环境参数采集等场合，具有较高的实用价值。 通过对本系统的制作与研究，扩展了互联网的应用范围，促进了互联网与无线网络的融合，对物联网的进一步发展奠定了基础。 
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1.2  物联网监控系统的发展状况

物联网实现物到物(T2T, Thing To Thing)、人到物(H2T, Human To Thing)和人到人(H2H, Human To Human)的互联，把目前网络所实现的人与人之间的互联通过传感技术扩大到了物的范围[15]。物联网的基本组成如图1-1所示，物联网主要由三个层次组成：一是感知层，感知层主要是通过传感器检测设备所需的变量，将模拟量变换成数字量，常见的有一般传感器、RFID(Radio  Frequence Identification)、二维码等。二是网络层，网络层的基础的是互联网，包含了有线和无线传输方式，实现数据的远程传输。三是应用层，该层将网络层传输来的数据通过各种信息系统进行处理，为用户提供了多种多样的业务体验，并通过各种设备和人进行交互。在国外，在美国物联网的研究中，高等院校一直处于行业的先驱者，例如麻省理工学院，奥本大学先后获得 DARPA 的支持，加州大学洛杉矶分校的 CENS实验室、WINS 实验室、NESL 实验室、IRL 实验室等等进行的大量的研究工作，此外，很多知名公司也积极从事这方面的工作，例如克尔斯博公司分别和微软、霍尼韦尔、英特尔等公司建立了合作关系。在欧盟物联网的研究中，欧盟委员会递交了《欧盟物联网行动计划》，确保欧洲在构建物联网的过程中起主导作用；日本与韩国在物联网的发展则经历了相似的过程。

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第二章 系统整体设计 

2.1  物联网监控系统的功能要求
物联网的组成中包括对各独立的设备的进行数据采集与控制、数据的传输以及与互联网数据的融合。因此，在本文介绍的监控系统应有如下的功能：第一、与物联网通讯节点相结合的各应用控制系统实现对外部设备的数据采集和控制，如酒店新风机控制系统中，应实现对各传感器的数据采集与新风机的通断控制。第二、物联网通讯节点实现组网通讯。 第三、物联网通讯网络完成各节点的数据传输。通讯网络包括对各设备节点组网、入网、地址分配、节点识别等，为数据的正确传输提供稳定的传输途径。 第四、网络通讯中的各节点数据通过协调器实现协调器与互联网通讯的融合，即完成物联网感知层与网络层数据的互联互通。 第五、上位机作为客户端可以通过互联网远程获取各通讯节点的状态信息。通过上诉对物联网监控系统的功能分析，实现了从物联网底层到顶层的数据流向。物联网的架构如图 2-1 所示： 
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2.2  物联网监控系统整体方案
从图 2-1 可知，物联网架构包括四个部分，即上位机实现数据监控，协调器实现协议的转换与通讯网络的控制，通讯网络实现数据的传输，各通讯节点完成对外围设备数据的采集与控制。物联网监控系统的设计则完成物联网架构中网络层与感知层的数据融合。物联网监控系统的整体设计方案如图 2-2 所示，通讯节点为网络通讯中为网络的组建提供数据接收与发送终端，对外围设备的控制。若干通讯终端经一定的规则组成可以相互通讯的网络；对外围设备的控制，是对外围设备数据的采集、存储、及外部设备开关量的通断控制，通讯节点并将外围设备的状态信息经通讯网络发送到协调器。通讯网络完成网络组建具体的组网工作，完成数据的输送，并对网络进行维护，路由信息管理，协调各通讯节点的在同一信道中的传输，以达到安全、稳定的目的。目前物联网通讯网络有有线通讯方式与无线通讯方式，有线通讯有RS-232、RS-485、CAN 总线等，无线通讯方式有 Zigbee、Ad hoc、Wifi、蓝牙等，两种不同传输介质的通讯各有优势，应根据不同的使用场合使用合适的通讯方式。对网络通讯的设计主要是对网络中各通讯协议的软件设计。
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第三章 物联网监控系统的硬件设计 ........... 12 
3.1  节点硬件设计 .......... 12
3.2  协调器硬件设计 ...... 17 
3.3  本章小结 .......... 20 
第四章 物联网网络通讯组网设计 ....... 21 
4.1  网络通讯物理层设计 ...... 21 
4.1.1 SI4432 接收和发送及初始化 ...... 21 
4.1.2 物理层封包 ........... 25 
4.2  网络通讯数据链路层设计 ...... 25 
4.2.1 网络拓扑结构的选用 ........... 25 
4.2.2 MAC 子层 ..... 26 
4.3  网络通讯网络层设计 ...... 27 
4.4  组网过程 .......... 30 
4.4.1  网络创建 ....... 30 
4.4.2  节点入网 ....... 31 
4.5  二进制指数退避(BEB)算法及优化 ....... 32
4.6  本章小结 .......... 35 
第五章 物联网协调器设计 ........... 36 
5.1 Linux 系统移植 ........ 36
5.2  网关设计 .......... 39 
5.2.1  网关架构 ....... 39 
5.2.2 TCP/IP 协议与无线网传输帧解析 ....... 40 
5.2.3  地址映射与协议转换 ........... 41 
5.3 TCP/IP Socket 程序编写 .......... 42 
5.4  本章小结 .......... 44 

第五章 物联网协调器设计

5.1 Linux 系统移植
微处理器上运行 Linux 系统时，需要对进行几个步骤的操作。Linux 启动时与 Windows 类似，需要有引导程序即 Bootloader，Bootloader 是在操作系统内核运行前的一段小程序[54]。在 Bootloader 中进行对应的操作设置，例如存储地址、系统地址、初始化硬件设备等。然后再在引导程序中启动系统，即启动 Linux 的内核（Kernel），最后再在内核的基础上挂接一个文件系统，即最小的 Linux 系统被制作出来。但由于每套线路板的硬件构成不尽相同，因此需要对部分程序进行相应的移植与裁剪工作，使之真正编译出来的数据数据量减小，适合在微处理器中运行来我们的要求。一套完整的程序所需的平台架构如图 5-1 所示，硬件平台是本系统根据需要而制作出来的 PCB 板，Bootloader、Kernel、文件系统是需要从现有的资源中移植过来，应用程序需要则是根据具体需求而开发的程序，本系统应用程序主要是无线网与网关程序的编写。目前应用最多的 Bootloader 引导程序是 U-Boot( Universal Boot Loader)，是遵循 GPL 条款的开放源码项目。U-boot 有着明显的优势，其源码开放，开发人员或公司不需考虑其版权问题；其次 U-boot 支持多种嵌入式操作系统和多种硬件平台，使之在平台之间的移植的相对比较方便；然后其具有很高的稳定性与可靠性，可以在各平台上可靠运行。最后，其支持的设备众多，驱动源码很丰富，开发人员对其移植时不用理会过多的底层资源。 
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总结

本文根据当前物联网监控系统在工厂、医院、楼宇等多楼层、多障碍物、环境复杂应用所领域所存在缺陷，无法满足该行业的控制要求而设计制作一套物联网监控系统。本系统在研究的过程中设计到了电子、计算机、通讯、单片机、Linux系统、互联网等多个学科，是各学科共同的产物。本系统的研究从硬件底层直到计算机上层，基本实现了对数据流向的控制，达到了预期目标。本设计完成的工作如下： 
(1)  根据物联网的特性分析，确定方案的功能目标，并提出对功能的实现方案。包括对整体方案的确定、各模块方案的实现、及整个方案工作的分析。 
(2)  完成系统的硬件设计。硬件设计包含对原理图、PCB 图的设计，并打样焊接等工作。硬件模块包含通讯节点和协调器模块。   
(3)  完成对 Linux 系统的搭建工作，系统搭建主要是对 Uboot、内核、及文件系统的移植工作，以及 SI4432 芯片在 Linux 系统中的驱动程序及应用程序的编写工作。   
(4)  分析了无线网络层次的功能，及完成对各层封包的数据帧设定，以便对实现无线网络与互联网的数据流通，解决了本系统的关键点之一。同时对无线网络的 MAC 子层的 BEB 算法进行了优化设计。   
(5)  通过对无线网络与 TCP/IP 协议的封包相比较分析，确定了网关的对数据的转换方式，包括地址、数据信息等。   
(6)  将本系统应用于酒店新风机的控制系统，，并对物联网的各个环节进行了测试，并将协调器作为服务器，在上位机中使用 Labview 编写客户端以实现对新风机控制节点的监控。
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参考文献(略)  

本文编号：58910