微环境检测平台通信协议的计算机设计与实现

来源: www.7225367.com 作者:vicky 发?#38469;?#38388;:2019-06-04 论文字数:33632字
论文编号: sb2019051611335126252 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇计算机论文,本文从软硬件两方面进行设计并开发了通用的微环境监测仪。通过各个硬件组件部分的选型和设计、统一的通信协议设计以及异构信息感知中间件的设计,该仪器能够以
本文是一篇计算机论文,本文研究工作为微环境监测平台提供的统一的数据采集设备,统一的通信协议,统一的数据表达和传输方案是稳定可行,能够将多来源、多种类、多类型的海量数据及时、准确、?#34892;А?#23433;全的整合上传。可通过进一步升级和完善使得该方?#24863;?#25104;具有实用性的微环境监测平台,具有良好的应用前景。

第1章   绪论

1.1   研究背景与意义
无线传感网络(Wireless Sensor Network WSN)是由很多的智能终端组成的计算机网络,采集网络覆盖的自然环境区域内监测对象的信息,能够实现信息感知、传输、处理等功能,然后把信息发送给用户,以便进行处理和分析[1]。关于无线传感器网络的应用设想,最早是关于军用方面的,目的是利用该技术实现战争的数字化和信息化。美国军方针对不同的战争场景,研制多款无线连接装备,并快速装备部队。利用 WSN 中的节点,通过信息感知迅速探测和识别敌方目标并实施精确打击,并且实时掌握火力打击后目标的毁伤情况,为战场指挥员提供最及时的战场报告,为制定下一步作战计划提供可靠及时的数据支撑,对现代信息化战争产生深远的影响。最早的传感器网络应用于实战是美军对越战争中,美军通过采用“热带树”传感器,成功遏制了北越的后勤补给,但是由于当时节点之间不无法进行信息共享,因此还算不上是真正意义上的传感网络。80 年代后,美国军方开始与各个大学紧密?#29486;鰨?#36827;行 WSN 的研究工作,目的是将无线感知技术引入战场环境监测中,这?#38382;?#38388;在软硬件的标准化与产品化等方向有了重大进展。
近年?#20174;?#20110;各?#27835;?#32447;技术的发展和进步,WSN 技术的发展和成熟使得很多无线感知设备被研发出来,并在民用领域得到快速应用和普及,针对种类繁多的新型业务应用的想法和物联网平台相继出现,使得人们的生产和生活方式有了很大的改变。基于无线传感网络的物联网平台,通过监测并感知限定区域范围的环境数据,能够为生活生产提供辅助决策,使得国内外各企业和科技人员都很关注,开启?#30805;?#26080;线传感网与人类生活环境相结合的探索。
本课题研究工作作为河北省重点研发项目《基于语义物联网的微环境监测平台关键技术研究?#20998;?#32452;成部分,是微环境监测平台的重要支撑。因此,本文提出了一种关于数据采集上报的解决方案,研制一款全天候自动采集设备——微环境监测仪,目前该设备能够感知?#25484;?#20013;的温湿度,地表的温湿度、光照强度和二氧化碳等环境数据;设计数据传输通信协议以及上位机实现数据远程上报,使得整个平台的上层应用能够良好稳定的运行。基于本文工作实现的微环境监测平台,?#21830;?#20379;自动采集、可靠传输和及时处理,可根据需要快速应用于多种行业监测,矿内环境监测、景区监测等行业。
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1.2   论文组织结构
本论文共分 6 章节,主要研究了微环境监测平台中关于数据采集和数据传输的工作,各章节主要内容如下:
第 1 章   绪论。介绍 WSN 网络的基础知识及其在各种行业场景监测中的广泛应用,分析目前国内外 WSN 网络和环境监测的状况。面对目前各物联网系统存在的问题,提出搭建微环境监测平台。
第 2 章   微环境监测平台。主要是通过需求分析开发微环境监测平台的必要性以及平台需要考虑的关键问题;然后介绍整个平台的三层体?#21040;?#26500;,及其各部分的功能以及最终实现的目标;最后举例?#24471;?#35813;平台可应用的监测领域。
第 3 章   微环境监测仪。针对设计采集任务,从软硬件两方面分析,最终形成发环境监测仪器,仪器主要包含电源模块、传感器模块、Lo Ra(Long Rang)无线通信模块以及 STC89C52RC 最小系统等硬件部分以及异构信息感知中间件软件部分,通过软硬件设计实现的微环境监测仪,能够同时采集上报多种数据,能够低功耗运行。
第 4 章   数据传输通信协议设计方案。介绍了从信息感知到上报的整?#36164;?#25454;传输过程,进行传感层通信协议设计;设?#24179;?#28857;与网关通信流程;开发上位机以及实现其与网关间的数据传输工作;完成网络层传输协议设计。为微环境监测平台提供实时、可行、稳定的数据上报方案。
第 5 章   数据传输方?#25913;?#22411;搭建。根据前文数据传输方案,设计小型的简单星型网络,在校园实现信息收集场景,利用网关维持、把控整个网络的运作,实现数据真实的采集过程。
第 6 章   实验与结果分析。通过搭建的数据采集、传输原型系统验证微环境监测仪、通信协议、通信流程以及通讯方案等设计的合理性。
结论 总结课题所做工作,指出本文工作的可取之处以及平台尚且存在的问题,给出下一步研究工作的方向。
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第2章   微环境监测平台

2.1   微环境监测平台需求分析
微环境监测指的是通过在限定地点范围,布置多种传感器节点,采集环境相关数据,通过对多个微小环境进行信息感知,最终能够得到整体区域的环境数据,为生活提供辅助决策。
随着近?#25913;?#29289;联网的快速发展,在各个行业业务范围内都能够见到 WSN 的影子。针对各个环境场景监测的物联网平台陆续出现,但是现存物联网平台在各个行业中进行使用时,都要构建传感层和网络层,导致大量重复工作,增加了成本。并?#19994;?#29420;针对各个场景的物联网系统[7],都有着自己独立的信息收集、上报和存储方案,造成了各行业间数据交流不顺畅,以至于无法综合数据?#36152;?#26356;为详细的分析,无法为使用者提供高水平的服务。为了完成对微小环境信息感知需求,收集各行业数据,解决各行业间数据孤岛问题,考量以往物联网系统在信息感知和上报过程中的难处,提出实现一款微环境监测平台。微环境监测平台统一设计传感层和传输层业务流程,用户可将工作重心放在应用层业务应用上。如此一来,企业便不用耗费过多资源进行传感层和网络层的搭建工作。由于微环境监测系统将提给各个行业来实现自己的业务,因此相比于之前单独针对某个行业的物联网系统,微环境监测系统需要考虑的问题也更多,如终?#30805;?#26679;性、各种格式数据、网络需求不同、数据上报等难题,?#36865;?#36824;要考虑数据的安全性和实时性、海量数据存储管理、数据分析展示问题等。但在大数据时代背景下,同样也带来了其他系统平台所没有的优势。数据中隐藏的信息和知识的价值是很高的,经过跨行业收集、共享、统一挖掘数据,能够挖掘出更多的、更全面的知识和信息。物联网行业才刚?#25484;?#27493;,仅有国外少量学者进行研究过,国内的相关研究更少。在此背景下,本文提出搭建这样一款环境监测系统是有一定意义的[8]。
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2.2   相关技术
微环境监测平台工作时底层将会收集上报大量数据,并?#19968;?#22240;为新用户和底层采集设备的逐渐增加,实时数据和历史数据?#19981;?#22823;量增加。因此,在采集网络构建、大数据接收、处理以及存储问题时,需要考虑使用多种技术进行解决。如下为平台搭建中用到的几个关键技术:
(1)  无线传感网   WSN 技术是由多个节点组成,这些节点都带?#20889;?#24863;器、数据处理模块和通信组件。通过自组网的?#38382;?#24418;成的一个动态网络,每个节点都可能由于能源消耗殆尽或其他的外部物理因素影响,随时退出当前网络,?#37096;?#33021;由于需要而被?#22411;?#21152;入网络,从而造成网络拓扑结构的变化。为了及时感知数据信息,要放置数以千万计的感知设备,甚至还多。感知设备中内置各种传感器,众多设备一起检测附近环境中的 CO2、光照、PM2.5 甚至次声波信号等与环境相关的数据,从而获取温度、湿度、酸碱度等很多对我们有意义和价值的信息,因此 WSN 是一个以数据信息为主的网络,而且不能单一的考虑单个传感器值,那样没有任何意义。WSN中的节点可以利用编号相互区别,因此要保证设备的编号是唯一的。由于传感器可能是通过无人机随机散布的,因此节点的编号不能是固定的但要是唯一的,这样传感器在退出网后,再加入网的时候编号可能就变了,也就是传感器的编号和实际的散布位置没有关系。用户要查看某个传感器设备的相关信息或者状态只需要将指令通过网关发送给整个网络,网络在获得指定指令信息后发送对应的设备,这种利用数据本身作为查询或者传输线索的想法更接近于人与人交流的习惯。
(2)  高并发数据处理接收技术   在微环境监测平台的设计中,服务端的处理性能是一个很关键的评价指标。为提高微环境监测平台服务端的性能,以防数据不能得到实时处理而造成数据拥堵,降低数据的复制和 IO 操作开销,本文利用线程池完成任务的处理工作。线程池会将需要处理的业务添加到任务队列中,接着再开启线程去处理这些业务。线程池的线程都用规定的堆栈大小,以一定的先后等级顺序运行。如果存在空闲的中断线程,那么线程池将开启另一个线程来使所有 CPU 保持不停歇状态,而要是所有线程始终处在工作状态,队列中还有任务为处理,则线程池就会开启额外的线程,但线程的个数始终不会越过设置的阙值[11]。线程池技术能?#34892;?#20943;少多线程环境中资源的消?#27169;?#21487;以提高系统的处理能力。因此,为了尽可能的利用系统的资源,消除系统因开启和销毁线程而带来的不必要的资源销?#27169;?#29616;在的服务器程序中大量应用该技术,这是提高效率的一个主要途径,另外,其线程数是可以根据自己需求设置的,而且通过优化线程池进一步进可以提升数据接收处理性能[12] 。
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第 3 章  微环境监测仪设计与实现 ······························ 11
3.1   微环境监测仪设计 ························ 11
3.1.1   需求分析 ························ 11
3.1.2   硬件设计 ····················· 12
第 4 章  数据传输通信协议设计 ···························· 23
4.1   相关技术 ······························· 23
4.1.1   LoRa 技术简介································ 23
4.1.2   LoRa 网关通信模式 ·························· 24
第 5 章  数据传输方?#25913;?#22411;搭建 ····················· 37
5.1   数据传输方?#25913;?#22411;设计 ···························· 37
5.2   数据传输方?#25913;?#22411;简单实现 ························ 38

第 6 章   系统测试与结果分析

6.1   测试环境
本文测试是在搭建的微环境监测平台原型系统下进行的,原型系统中的设备的具体配置如下:
1)终端采集设备:采用本文开发的微环境监测仪,包含单片机、一系?#20889;?#24863;器、以及 SX1276 无线停下通信模块等。
2)Lo Ra 网关与 Lo Ra 通信模块,网关与上位机采用 RS485 串口交互环境;
3)上位机环境:上位机操作系统为 Windows  7,PC 的处理器为酷睿 i3-2370,
编程环境为 VS2015;
4)服务器环境:内存 8G 以上,磁盘 40G;WinServer 2008,Tomcat 8.0 服务器;JDK1.8;My Eclipse 10 集成开发环境。
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结论
通过对现代环境监测状况、物联网平台的研究及无线传感网相关通信组网技术现状的详细分析,提出搭建一款微环境监测平台。对环境监测系统实际需求,本文提出采用新?#35828;?#21151;耗广域网无线通信技术中的 Lo Ra 技术,设计并实现了微环境监测平台原型系统。该系统能够以?#31995;?#21151;耗进行远距离通信远,并且具有抗干扰性强以及高性价比的优点。系统主要分为微环境监测仪、网关两个部分,本文主要进行微环境监测仪的硬件电路设计以及软件设计,通过通信协议设计统一数据格式;阐述了基于 LoRa 技术的通信传输方案的设计过程。本论文所做的具体工作总结如下:

参考文献(略)

原文地址:http://www.7225367.com/jsjlw/)查找


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