基于物聯(lián)網(wǎng)的礦洞環(huán)境檢控系統(tǒng)的研究

第3章系統(tǒng)分析3.1系統(tǒng)實現(xiàn)的功能水質(zhì)氨氮在線監(jiān)測系統(tǒng)與常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)的不同表現(xiàn)在以下幾個方面：首先水體環(huán)境下布線是件相當(dāng)困難的事情并且不易于維護其次需要實現(xiàn)多點多參數(shù)數(shù)據(jù)采集具體說來是指?同一個采集點應(yīng)該可以采集到的參數(shù)。在一個大區(qū)域內(nèi)需要布置多個這種采集節(jié)點這對節(jié)點的處理能力提出了更高的要求再次監(jiān)測節(jié)點位置容易變更，這要求網(wǎng)絡(luò)可以動態(tài)構(gòu)建不是單純依賴于位置信息，最后還需要滿足低能耗的要求以更好維護系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)合一般監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案提出本系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的示意。本文的目標(biāo)是設(shè)計一個用于氨氮檢測的水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)多個環(huán)境參數(shù)的采集傳輸、處理。該系統(tǒng)以氨氮檢測水質(zhì)參數(shù)如溫度、鹽度、值等為監(jiān)測對一象本系統(tǒng)采集溫度參數(shù)主要功能包括數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲及查詢實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控及對歷史數(shù)據(jù)的查詢。本系統(tǒng)主要由無線傳感器模塊子節(jié)點、嵌入式服務(wù)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點、機三部分組成分別實現(xiàn)了以上功能。系統(tǒng)設(shè)計采用了分層式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分散式系統(tǒng)安裝。系統(tǒng)由以下三層組成最底層是數(shù)據(jù)采集及無線轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)的采集并通過無線通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器交互數(shù)據(jù)通過分布式結(jié)構(gòu)采集數(shù)據(jù)以獲取環(huán)境參數(shù)。該部分是多點采集的基礎(chǔ)?分布在車間內(nèi)的各個節(jié)點分別采集數(shù)據(jù)并統(tǒng)一上報到協(xié)調(diào)器節(jié)點?進行再次傳輸。芯片連接傳感器組成。數(shù)據(jù)處理能力。中間一層是數(shù)據(jù)匯聚層及嵌入式Web服務(wù)器。集成了該部分由無線射頻內(nèi)核具有較強的。所有終端節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)并通過一犯協(xié)調(diào)器節(jié)點接收本網(wǎng)絡(luò)下串口協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到處理器。處理器對接收到的數(shù)據(jù)進行處理?存入數(shù)據(jù)庫一同時還負(fù)責(zé)構(gòu)建服務(wù)器提供人機交互界面。該部分以嵌入式微控制器芯片為基礎(chǔ)進行擴展并在其上移植嵌入式?根據(jù)需求進行開發(fā)。這一層是連接本地?zé)o線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和的橋梁實現(xiàn)了本地數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程共享。最上層是上的計算機通過普通聯(lián)網(wǎng)計算機的瀏覽器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和查詢

3.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計為實現(xiàn)較大范圍內(nèi)多點數(shù)據(jù)實時監(jiān)測本文實現(xiàn)了采集及轉(zhuǎn)發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及上位機人機交互界面三層架構(gòu)的在線監(jiān)測框架系統(tǒng)模塊劃分如圖所示3.3本章小結(jié)本章主要介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案、主要功能及系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。該設(shè)計的特點是采用了三層架構(gòu)的思想方便對數(shù)據(jù)的處理?；谀Ｊ降谋O(jiān)控及查詢界面非常方便不需要服務(wù)安裝軟件?在任何聯(lián)網(wǎng)的計算機上即可遠(yuǎn)程訪問監(jiān)控系統(tǒng)。

第4章系統(tǒng)采用硬件該部分實現(xiàn)了第三章所說的最底層的功能即數(shù)據(jù)采集及無線傳輸。各個Zigbee節(jié)點通過傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分布在車間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過自組織組成星型網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總。4.1硬件選型CC2530是公司生產(chǎn)一顆真正的系統(tǒng)芯片解決方案，這種解決方案能夠提高性能并滿足以Zigbee為基礎(chǔ)的2.4GHzISM波段應(yīng)用對低成本，低功耗的要求。它包括一個高性能的直序列擴頻射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的控制器，具有芯片可編程閃存及通過認(rèn)證的Zigbee協(xié)議棧。本文設(shè)計的系統(tǒng)采用的主控芯片TICC2530是用于2.4GHzIEEE802.15.4ZigBee的一個SoC（SystemonChip）解決方案，該解決方案建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有成本低、效率高、性能好等多方面的優(yōu)點。CC2530系列芯的組成模塊大致分為三個部分：CPU和內(nèi)存、外設(shè)，以及無線射頻模塊。1.CPU和內(nèi)存CC2530具有8051內(nèi)核，該內(nèi)核是單周期內(nèi)核，可以單周期地訪問特殊功能寄存器、數(shù)據(jù)總線和主SRAM。2.外設(shè)CC2530的外設(shè)包括：調(diào)試接口、閃存控制器、I/O控制器、DMA控制器、定時器1~4、睡眠定時器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、隨機數(shù)發(fā)生器、AES協(xié)處理器、看門狗定時器、USART以及USB2.0控制器。3.無線射頻模塊CC2530提供的無線射頻模塊（無線收發(fā)器）兼容IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。此外，該芯片還在MCU和無線射頻模塊之間提供了一個接口，MCU可以通過這個接口向無線收發(fā)器發(fā)送命令，以控制無線收發(fā)器完成相應(yīng)的動作。無線射頻模塊還具有數(shù)據(jù)包過濾和地址識別的功能。4.DSN260氨氮傳感器無需試劑，綠色無污染，可以在線實時監(jiān)測。集成銨離子、鉀離子（可選）、pH及參比電極，自動對水體中的鉀離子（可選）、pH和溫度進行補償。可直接投入式安裝，相比傳統(tǒng)氨氮分析儀，更加經(jīng)濟環(huán)保，方便快捷.采用RS485輸出，支持Modbus，方便集成。數(shù)字傳感器，RS-485輸出，支持MODBUS無需試劑，無污染，更經(jīng)濟環(huán)保自動對水體中pH和溫度進行補償高精度，高穩(wěn)定性。產(chǎn)品名稱在線氨氮傳感器

型號DSN260氨氮量程0-1000mg/LNH4-N氨氮精度2%氨氮分辨率0.1mg/LPH量程4-10PH精度±0.1PH分辨率0.01防護等級IP68溫度范圍0～50℃裝配投入式供電電源DC

5~12V，電流<50mA（非清洗時）輸出信號數(shù)字RS-485輸出，

MODBUS協(xié)議線纜長度10米（默認(rèn)），可定制外殼材料POM4.2硬件連接電路功能節(jié)點負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上報給協(xié)調(diào)器節(jié)點?由傳感器模塊、處理器模塊、天線模塊、電源模塊、指示燈組成。指示燈用來指示節(jié)點的工作狀態(tài)紅燈和綠燈分別指示節(jié)點建立或加入網(wǎng)絡(luò)的成功和數(shù)據(jù)發(fā)送的狀態(tài)方便節(jié)點本身的故障判斷。天線模塊用來增加無線信號的覆蓋范圍。傳感器模塊通過一個多路選擇器連接不同的傳感器。協(xié)調(diào)器節(jié)點是系統(tǒng)的核心負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建立和維護。水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點本身不采集數(shù)據(jù)而是負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并且將數(shù)據(jù)通過串口上報所以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點由電源模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、串口模塊、指示燈、處理器模塊、天線模塊組成。功能節(jié)點及協(xié)調(diào)器節(jié)點均通過電池供電。調(diào)試模塊是下載程序到節(jié)點進行程序調(diào)試而準(zhǔn)備的。為了維護統(tǒng)乙性協(xié)調(diào)器節(jié)點及半功能節(jié)點均采用相同的結(jié)構(gòu)?提供相同的接口在下載到節(jié)點的程序中通過宏來指定節(jié)點是協(xié)調(diào)器還是終端節(jié)點進而控制節(jié)點的功能。PC通過兩根USB線分別連接網(wǎng)關(guān)設(shè)備和終端設(shè)備的串口，設(shè)備通過串口以固定的時間間隔打印溫濕度數(shù)據(jù)。PC通過“串口調(diào)試助手”軟件監(jiān)控兩個設(shè)備的串口打印出來的數(shù)據(jù)，驗證溫濕度數(shù)據(jù)的一致性，確保在無線傳輸?shù)倪^程中沒有出現(xiàn)誤碼或者掉包等異常情況。由于PC的USB端口資源有限，只列出網(wǎng)關(guān)和一個終端的串口監(jiān)控界面。經(jīng)測試，其他終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)進行通信時，數(shù)據(jù)傳輸正常。4.3本章小結(jié)在本文設(shè)計的氨氮自動檢測系統(tǒng)中，ZigBee終端需要完成的主要任務(wù)就是采集溫濕度數(shù)據(jù)，通過Z-Stack協(xié)議棧中的數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)將采集到的氨氮數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，因此ZigBee終端中必須有氨氮傳感器采集電路，驗證終端發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的氨氮傳感器數(shù)據(jù)的正確性。

第5章系統(tǒng)采用軟件5.1IAREmbeddedWorkbenchIAREmbeddedWorkbench的集成開發(fā)環(huán)境是由微處理器設(shè)計的，實際上，網(wǎng)絡(luò)上的大部分人給它起了一個更加簡潔的名字-IAREW，IAREW是我們學(xué)習(xí)時候常常使用的一款通用的、適宜各種開發(fā)環(huán)境的、可以為我們的程序提供實驗場地的軟件。5.2Ｚ-Stack協(xié)議棧軟件前面的章節(jié)中已經(jīng)說明，zigbee協(xié)議棧采用分層的結(jié)構(gòu)，所有的網(wǎng)絡(luò)操作最終都是利用協(xié)議棧各層的通信原語完成，其過程需要逐層地發(fā)起原語請求、原語應(yīng)答等，過程繁瑣且原語類目繁多。因此，zigbee應(yīng)用通常需要借助專門的嵌入式操作系統(tǒng)實現(xiàn)底層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。挪威半導(dǎo)體公司chipcon向用戶推出了zigbee協(xié)議棧軟件—Ｚ-Stack。Z-Stack協(xié)議棧源代碼的說明文檔中出現(xiàn)了一些與ZigBee設(shè)備有關(guān)的術(shù)語，理解這些術(shù)語的邏輯關(guān)系對于閱讀Z-Stack源代碼的重要性是不言而喻的。下文將分別講解設(shè)備、端點、簇、屬性、描述符以及綁定等術(shù)語的意義及其相互之間的聯(lián)系。Ｚ-Stack使用瑞典公司ＩＡＲ開發(fā)的IAREmbeddedWorkbench作為集成開發(fā)環(huán)境。Ｚ-Stack結(jié)合了zigbee協(xié)議規(guī)范和嵌入式操作系統(tǒng)，為用戶提供了一個名為操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）的協(xié)議棧調(diào)度程序，開發(fā)者在進行應(yīng)用程序開發(fā)時只需要調(diào)用Ｚ-Stack提供的API接口函數(shù)，為應(yīng)用程序開發(fā)帶來了極大便利。1.設(shè)備（device）一個節(jié)點（FFD/RFD）就是一個設(shè)備，對應(yīng)一個ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee終端；一個設(shè)備有一個無線收發(fā)器，而且具有全球唯一的64位IEEE地址和全網(wǎng)唯一的16位網(wǎng)絡(luò)地址。在協(xié)議棧中不同的設(shè)備有相應(yīng)的配置文件（默認(rèn)路徑是ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0\Projects\zstack\Tools\CC2530DB）：協(xié)調(diào)器（全功能設(shè)備）配置文件：f8wCoord.cfg路由器（全功能設(shè)備）配置文件：f8wRouter.cfg終端設(shè)備（半功能設(shè)備）配置文件：f8wEndev.cfg2.端點（endpoint）端點用于描述基于ZigBee設(shè)備的不同應(yīng)用（application），其長度是8比特。比如一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的一臺設(shè)備上有開關(guān)，另一臺設(shè)備上有燈，那么一個開關(guān)或者一個燈就叫一個應(yīng)用，它們在各自的設(shè)備上分別對應(yīng)一個端點號。每臺設(shè)備支持1~240共240個端點號。3.簇（cluster）簇是多個屬性的集合。每個簇?fù)碛幸粋€唯一的ID。簇與綁定的概念是緊密結(jié)合的。4.屬性（attribute）相互通信的ZigBee設(shè)備之間的應(yīng)用層數(shù)據(jù)稱為屬性。描述屬性的結(jié)構(gòu)體在ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0\Components\stack\zcl\zcl.h中被定義。5.描述符（descriptor）一個設(shè)備（device）可以有240個端點（endpoint1~endpoint240），每一個端點必須有一個端點描述符。端點描述符的結(jié)構(gòu)體中包括一個簡單描述符，簡單描述符用于將本終端的相關(guān)信息告知網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備，兩種描述符對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體具體參考ZigBee協(xié)議棧源代碼。6.綁定（binding）通過使用ClusterID在不同設(shè)備上的endpoint之間建立一個邏輯上的連接。5.4OneNET云平臺OneNET是由中國移動打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺。平臺能夠幫助開發(fā)者輕松實現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，快速完成產(chǎn)品開發(fā)部署，為智能硬件、智能家居產(chǎn)品提供完善的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。OneNET物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控、遠(yuǎn)程抄表、智慧農(nóng)業(yè)、智能家電、智能硬件、節(jié)能減排、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、物流跟蹤等多種商業(yè)領(lǐng)域。

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物聯(lián)網(wǎng)開放平臺OneNET通過打造接入平臺、能力平臺、大數(shù)據(jù)平臺能力滿足物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域設(shè)備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)安全、大數(shù)據(jù)分析等平臺級服務(wù)需求。ZigBee終端采集通過網(wǎng)關(guān)MQTT發(fā)送到ONENET。5.5本章小結(jié)我在實驗的過程中學(xué)習(xí)到了Z-Stack協(xié)議棧軟件的使用方法，利用云平臺onenet來對結(jié)果進行展示。

zigbee平臺構(gòu)建嵌入式IAREmbeddedWorkbench適用于大量8位、16位以及32位的微處理器和微控制器，使用戶在開發(fā)新的項目時也能在所熟悉的開發(fā)環(huán)境中進行。它為用戶提供一個易學(xué)和具有最大量代碼繼承能力的開發(fā)環(huán)境，以及對大多數(shù)和特殊目標(biāo)的支持。嵌入式IAREmbeddedWorkbench有效提高用戶的工作效率，通過IAR工具，用戶可以大大節(jié)省工作時間。1、安裝SmartRFFlashProgrammer和仿真器。2、按下仿真器復(fù)位按鍵，SmartRFFlashProgrammer會檢測到cc2530。3、安裝ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0協(xié)議棧。安裝ZigBeeSensorMonitor1.2.0。4、安裝PacketSniffer2.13.2搭建zigbee平臺時遇到問題的解決方法如下：1.安裝.NET2和.NET3.52.先插好仿真器，安裝好驅(qū)動3.啟動WindowsModulesInstaller后臺服務(wù)（重啟電腦最好）4.用管理員權(quán)限運行安裝和破解5.運行兼容性檢查通過網(wǎng)關(guān)MQTT發(fā)送到云平臺onenet安卓app源碼

總結(jié)與展望水質(zhì)氨氮在線監(jiān)測系統(tǒng)可以很好的適應(yīng)工業(yè)檢測水源的需要，可以實時監(jiān)測水生生物的生活環(huán)境，進而指導(dǎo)養(yǎng)殖人員調(diào)整水環(huán)境，提高產(chǎn)量，自動監(jiān)測節(jié)省人工，提高生產(chǎn)效率。本文構(gòu)建了一個基于技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的氨氮檢測水質(zhì)在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、傳輸和顯示。主要從以下幾個方面介紹了幾種近場無線通信技術(shù)，并對它們進行了比較，選擇了這些技術(shù)作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為此，我們對其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)