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1、 物联网技术在建筑物楼顶环境监测中的应用物联网技术在建筑物楼顶环境监测中的应用 The Application of the Technology of Internet of Things in Environment Monitoring on Roof of Buildings 作作 者者 姓姓 名名 高 俊 学学 位位 类类 型型 工程硕士 学学 科、专科、专 业业 电子与通信工程 研研 究究 方方 向向 智能信息处理 导导 师师 及及 职职 称称 夏 娜 教授 汪言海 高工 2013 年年 4 月月 10 日日 物联网技术在楼顶环境监测中的应用物联网技术在楼顶环境监测中的应用 摘要摘
2、要 物联网（Internet of Things,IOT）是当前信息技术领域的研究热点之一，其在国民经济建设和在改善居民生活条件等领域均有重要的作用。近年来，物联网系统在实际生产、生活中得到了长足的发展和进步，其应用系统也日趋完善。本文基于物联网技术设计一个楼顶环境监测系统。该系统通过各种传感器节点获取被监测楼顶的环境参数并采用 ZigBee 协议传输至基站，基站将数据通过 GPRS无线传输网络传输至数据中心。同时，为使系统在偏远地区能够正常工作，基站实现了北斗的短报文功能，使得系统能够适应不同的复杂环境。数据中心对获取的环境参数建立数据库以提高数据管理效率。同时数据中心的监控软件实现了数据存
3、储、查询、分析和显示等功能。本文的主要内容和创新之处在于：（1）本文按照物联网的典型应用框架设计了一个数据采集与传输系统。本文设计的楼顶环境监测系统采用无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSNs）获取环境参数；采用红外监测技术和图像采集方式实现安防。所有环境参数和安防信息通过 ZigBee 协议传输至基站。基站具备远程数据通信能力，其通过 GPRS 网络或北斗短报文将数据传输到远程数据中心进行数据分析处理等。北斗短报文功能的加入使系统在偏僻环境中可以正常工作，同时保障通信的可靠性。（2）监控中心为海量数据建立数据库，并设计了数据的分析、处理软件。为了提高数据管理
4、的效率并方便应用软件对数据进行处理，在监控中心建立了一个数据库系统，所有的数据查询、分析和处理等均基于该数据库。同时，本文设计了一个基于 MFC 的上位机软件，该软件与数据库相连接，将前端传感器网络采集的环境参数等信息存储到数据库中，并能实时显示被监测区域的环境状况和安防状态。为方便用户查看相关信息，软件提供了界面友好的可视化显示功能。关键词：关键词：物联网；环境监测；ZigBee；GPRS；Socket；数据库 The Application of the Technology of Internet of Things in Environment Monitoring on Roof o
5、f Buildings Abstract Nowadays,Internet of Things(IOT)is one of the hotspots in IT field.It plays a very important role in economic development,as well as our life improvement.In recent years,IOT has been developing quite rapidly and the corresponding application systems in production and living have
6、 been gradually approaching perfection.In this paper,based on IOT,an environment monitoring system aimed at roof of buildings is designed,which relies on wireless sensor nodes to obtain the key environmental parameters,such as light conditions,temperature and humidity.etc.The obtained data is transf
7、erred to a base station through ZigBee protocol.Then the base station transfers the data to the remote monitoring center via two methods:either through GPRS networks or by Beidou short message service,and the latter one is adopted to guarantee that the system can still work well when placed in those
8、 remote areas with no GPRS signal.The monitoring center,a software system,analyzes and processes the massive amounts of data acquired by long-term monitoring and provides some basic functions,including display and acquirement.The major design work and its creativity are shown as below:(1)An environm
9、ent monitoring system is designed according to the typical application pattern of IOT.Wireless sensor nodes,communicating through ZigBee protocol,obtain the key environmental parameters and transfer them to a base station.At the same time,infrared technology,as well as photography technology,is adop
10、ted to provide safety protection of the monitoring area.The base station can communicate with the remote monitoring center through GPRS network or using Beidou short message service.(2)A data base is built in the monitoring center and a data analysis and processing software is developed to get the e
11、nvironment conditions of the monitoring area.A data base thus is built to provide convenience for data storage,acquirement and management.At the same time,a software system,connected with the data base,is developed on the basis of Microsoft Foundation Class(MFC).The software system stores the data a
12、cquired by the frontend WSNs into the database and show the environmental conditions and security situations in real time.Key Words:Internet of Things,Environment Monitoring,ZigBee,GPRS,Socket,Data base 致致 谢谢 时光飞逝，转眼间硕士研究生生活已经接近尾声，值此论文完成之际，谨向关心和帮助过我的老师、同学、朋友和亲人，表达最诚挚的感谢！真心感谢我的导师夏娜教授，是你给我提供了一个非常好的学习平
13、台，让我有如此多实际项目的锻炼机会。你们一丝不苟的学术作风，严谨求实的治学态度不仅在这硕士研究生的学习生活中默默地影响着我，而且在以后的工作和学习中也将一直指导我前进的方向。硕士研究生阶段是一个能力和知识积累的过程，也是完善人格的阶段。通过这一阶段的锻炼，我更有资本和勇气去面对未来的挑战。夏娜教授从课题的选择到项目的最终完成不时给与我亲切关怀和悉心指导，他精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我，是我学习的好榜样。感谢一直给予我在物质和精神上关怀和支持的亲人，是你们让我体会到了亲情的温暖，给了我前进的动力。特别感谢我的父母，是你们把我抚养成人，在生活上学习上给了我非常多的关爱，唯有更加努力的学
14、习和工作才能不辜负你们的厚爱！再次对你们表示感谢！目录目录 1 绪论绪论.-1-1.1 引言.-1-1.2 物联网简介.-1-1.3 论文研究内容及主要工作和创新点.-6-2 建筑物楼顶环境监测系统概述建筑物楼顶环境监测系统概述.-7-2.1 课题目的和意义.-7-2.2 建筑物楼顶环境监测系统总体框架.-7-2.3 设计目标.-9-2.4 设计方案.-9-2.5 本章小结.-10-3 建筑物楼顶环境监测系统硬件设计建筑物楼顶环境监测系统硬件设计.-11-3.1 硬件系统总体设计.-11-3.2 前端数据采集传感器网络设计.-12-3.3 监测方网关设计.-23-3.4 供电方案.-28-3.
15、5 嵌入式软件设计.-29-3.6 本章小结.-32-4 建筑物楼顶环境监测系统软件设计建筑物楼顶环境监测系统软件设计.-33-4.1 网络通信.-33-4.2 Access 数据库.-37-4.3 数据分析与处理.-45-4.4 系统软件界面.-47-4.5 本章小结.-51-5 总结与展望总结与展望.-52-参考文献参考文献.-53-插图清单插图清单 图 1-1 物联网典型应用框架.-2-图 1-2 无线传感器网络典型拓扑结构.-5-图 2-1 建筑物楼顶环境监测系统总体方案图.-7-图 2-2 建筑物楼顶环境监测系统拓扑简图.-9-图 3-1 硬件系统总体框架示意图.-11-图 3-2
16、通用传感器节点模型.-13-图 3-3 8051 CPU（含部分外设）结构图解.-15-图 3-4 CC2530 中 8051 内核的存储器映射.-16-图 3-5 通用节点硬件结构原理图.-17-图 3-6 通用节点硬件结构 PCB 版图.-17-图 3-7 DS18B20 初始化时序图.-18-图 3-8 DS18B20 读写时序图（上图为写，下图为读）.-19-图 3-9 温度寄存器格式.-19-图 3-10 HS1101 电容与湿度关系.-20-图 3-11 HS1101 输出电容转化为输出电压.-21-图 3-12 风速、风向传感器.-21-图 3-13 OV7670 视频摄像头实物
17、图.-23-图 3-14 GPRS 网络结构图.-24-图 3-15 EM310 典型应用框图.-25-图 3-16 EM310 原理图.-26-图 3-17 TYMD051 北斗短报文传输模块.-27-图 3-18 STM32F103ZET6 系统框图.-27-图 3-19 网关设备电路实物图.-28-图 3-20 太阳能板和蓄电池.-29-图 3-21 传感器节点软件流程图.-29-图 3-22 监测方网关程序流程图.-31-图 4-1 监测中心计算机.-33-图 4-2 Access 数据库表.-38-图 4-3 数据库向导.-39-图 4-4 ODBC 数据库源主界面.-40-图 4-
18、5 ODBC 添加数据源.-40-图 4-6 选择数据库界面.-41-图 4-7 新建工程对话框.-41-图 4-8 MFC 数据库选择.-42-图 4-9 选择数据库源.-42-图 4-10 环境参数表.-45-图 4-11 卡尔曼滤波器的模型.-46-图 4-12 空气温、湿度实时变化曲线.-48-图 4-13 光照、风速实时变化曲线.-49-图 4-14 空气温、湿度历史变化曲线.-50-图 4-15 光照、风速历史变化曲线.-50-图 4-16 安防界面.-51-表格清单表格清单 表 3-1 DS18B20 的部分温度值与其输出数字量的对应关系.-20-表 3-2 传感器电压典型输出特
19、性.-21-表 3-3 JL-FSX2 风速风向传感器性能参数.-21-表 3-4 BH1750FVI 光强度测量传感器参数.-22-表 3-5 EM310 主要性能参数.-25-1-1 绪论绪论 1.1 引言引言“物联网”的概念1-5自 2009 年被首次提出，就迅速引起了社会的广泛关注。学术界开始大量探讨物联网相关的概念、技术及标准，产业界也开始从多种行业领域加强物联网的应用，高等院校开始开设物联网专业。物联网在我国被确定为“国家战略性新兴产业”：国家 863、973 计划开始支持物联网、“十二五”期间工信部和发改委启动了物联网相关的专项资金支持2，物联网的概念炙手可热。目前，由于物联网的
20、概念和其应用模式已经逐渐趋于成熟，市场上的物联网应用已经十分丰富，基于其典型框架构建的应用系统被广泛用在诸如智能家居、安防、自动化控制、远程监控等等领域6 7。本文设计并开发了一个基于物联网的地域建筑物楼顶环境监测系统。该系统利用各种传感器节点监测并获取被监测点的多种关键参数：如空气的温度和湿度、光照、风速、风向，并能对监测点进行拍照。所有传感器节点按照 ZigBee协议组网，并将获取的所有参数和图片数据传输到传感器网络的基站，然后该基站通过 GPRS 网络或北斗短报文服务将数据打包传输到远程监控中心。在监控中心设计相应的数据处理、分析算法，并提供可视化的数据显示、查询等功能。1.2 物联网简
21、介物联网简介 1.2.1 物联网的概念 物联网的概念自首次提出后几经修改，到现在仍然没有统一的定义，各国对其理解也不尽相同8。但总体来说主要包括广义与狭义两种定义。狭义的物联网是指依托射频识别（RFID）技术的物流网络，随着技术和应用的发展，特别是随着传感器网络的出现，很多学者认为物联网就是无线传感器网络，或者是传感器网络和 RFID 的合称。但随着物联网在国内外被更多行业所关注，其内涵也获得了更大范围的扩展9 10。广义的物联网11是指在物理世界的客观实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，实现广域或大范围的人与物、物与物之间信
22、息交换需求的互连、互通、互操作。物联网依托多种信息获取技术，包括传感器、传感器网络、RFID、条形码、多媒体采集技术等。虽然物联网的定义还存在很多争议，但其三个重要层次“感知、网络、应用”已经获得了广泛共识。物联网白皮书（2011）2认为：物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝连接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。-2-当然由于物联网仍然处在高速发展阶段，其概念和内涵还会延伸到更多的领域，获得更多的新的含义。最终如果能形成广义互联网概念描述的盛况
23、，物联网将会成为一个包罗万象，甚至可以说是囊括所有生命与非生命体的高度复杂的网络系统。1.2.2 物联网典型应用架构 根据物联网白皮书（2011）中对物联网的定义，可以看到物联网的主要结构层次包含三个方面：感知层、网络层和应用层12-15。其典型应用框架如图1.1 所示。图 1-1 物联网典型应用框架（1）感知层，也被称为感知交互层或交互层，该层实现的主要功能包括智能感知和交互，如信息采集、物体识别和控制等。这一层中涉及的关键技术包括传感器技术、RFID 技术、网络自组织、短距离节点通信技术以及低功耗路由等。感知层作为物联网应用系统的最底层，就像无数的触手一样，在社会生活和生产的各个领域感知所
24、需要的信息。感知层是关键的信息获取部分，对整个应用系统起着支撑作用，是系统成败的关键。感知层的核心技术包括两个部分：传感器技术和 RFID 技术，前者是最常见的感知层信息采集实体，其包含各种软硬件资源以特定的原理采集信息；后者则是支撑传感器的通信技术，就像一个人一样，如果无法与外界通信，那么即使你拥有海量信息，也没有任何用处。传感器和 RFID技术构成感知层的核心部件。（2）网络层，也被称为网络传输层或传输层，该层实现的主要功能包括信息的接入、传输和通信。该层分为两个子层：接入层和核心层。网络层可依托公-3-众电信网或互联网，也可以依托行业专业通信网络，或者同时依托公众网和专用网，如接入层依托
25、公众网、核心层依托专用网，或者接入层依托专用网、核心层依托公用网。通过网络层的信息交换与传输，可以使物联网实现更大范围的覆盖和信息共享。网络层位于无线传感器网络的中间层，是沟通感知层与应用层的连接部分。网络层在物联网中的重要性也是不言而喻的：这一层就像一条信息高速公路一般，将信息源源不断的从感知层“运送”到应用层。从图 1.1 可以看到网络层主要利用了现有的有线网络、无线网络和互联网等。由于互联网经过数十年的发展，现在各种技术已经相当成熟，因此，充分利用其现有资源可以使物联网的应用框架更加稳定，应用规模更加庞大，系统搭建也更加方便、快捷，资源在互联网上的共享也更容易实现。（3）应用层，也被称为
26、应用处理层或处理层，该层主要实现信息的处理与决策，通过中间件实现网络层与物联网应用服务间的接口和功能调用，包括对业务的分析整合、共享、智能处理、管理等，具体体现为一系列业务支撑平台、管理平台、信息处理平台、智能计算平台、中间件平台等。在应用层中，主要的一些服务类型包括：监控服务、工业监控、智能家居、公共安全等。应用层处于物联网的最上层，说的通俗一点，就是直接呈现在用户面前的那些东西。应用层接收感知层获取的各种应用数据，并根据系统本身对数据的认知做相应的数据处理和数据挖掘。应用是获取数据的最终目的，而应用层的使命就是最大化的利用物联网中的数据，以更好的服务社会，提高人们的生活水平。上述三层只是逻
27、辑上的网络划分，即感性认知上的刻意为之。在实际的物联网应用系统的网络实体中，并非一定是严格意义上的三层皆备。但在功能上，上述三者却通常是一个物联网应用中必须存在的必要组件。以上三层在逻辑上相互依赖，相互协同，相互配合，真正实现“物物相连”，并提供泛化的网络服务。1.2.3 物联网与无线传感器网络 谈到物联网，就不可避免的要论述其与无线传感器网络之间的联系与差别。无线传感器网络严格的来说，是一种很局域化的网络161718，其具有以下特点：（1）资源受限：无线传感器网络中，由于节点成本和体积的限制，节点只有有限的硬件资源，其计算能力、存储能力和数据处理能力都非常有限。另外，传感器节点一般使用电池供
28、电，能量是非常有限的，并且想要给传感器节点更换电池是非常困难的。（2）大规模网络：由于无线传感器网络节点的通信和感知半径很有限，一般为几十米至几百米范围之内，为了能够监测整个目标区域获取精确信息，通常需要在目标区域内布置大量传感器节点。（3）自组织网络：在传感器网络应用中，传感器节点一般都是随机布置的，每个节点的位置不需要预先的设定，节点之间的相互邻居关系也不需要预先知道。真个网络的布置和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议-4-和分布式算法协调各自的行为，节点开机后可以快速、自动地组成一个独立的网络。（4）以数据为中心：在无线传感器网络使用中人们只关心某个区域的某个具体事件，而
29、对某个节点的观测数据并不是非常关心。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点，这就是无线传感器网络的以数据为中心的特点。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求无线传感器能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。（5）动态性网络：由于无线传感器网络的能量有限，传感器节点往往会在工作和睡眠两个状态之间进行切换，传感器节点随时都可能发生硬件或软件故障而不能正常工作，此时新的传感器节点将会添加进来以提高网络的监测质量，以及环境条件变化等因素也可能造成无线通信链路带宽发
30、生变化。传感器网络的这些特点都使得它的拓扑结构变化非常快，这就要求传感器网络系统要能够适应这些变化，需要有很好的鲁棒性。（6）与具体应用相关的网络：传感器网络与传统网络相比较，传统网络追求的是一种共性，要求所有互联设备遵循一种统一的网络协议，而传感器网络更关心每个不同网络的差异。只有让系统更加贴近应用，才能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络不同于传统网络的显著特征。可以将无线传感器网络与物联网的概念做一个比较。这两者在很多方面具有高度的相似性甚至是相同的。很多阐释无线传感器网络基本架构的文章都将其基本结构描述为节点、汇聚节点、网关节点、用户软件等几个部
31、分1920。其实如果是这样的描述，其与物联网的典型架构几乎就是相同的。但是无线传感器网络和物联网还是存在差异的212223，主要体现在一下两点：（1）无线传感器网络是一个一个孤立的实体，而物联网则是宏观的统一称谓。无线传感器网络具有很大的局域性，即可以说“某一个无线传感器网络”；而物联网则是一个统一的称呼，如 Internet 一样，其最终目标是为了实现物与物、人与物的全面互联互通，因此，是一个有机整体。（2）在系统构成上，无线传感器网络并非必然包含数据的处理部分，也即“用户”可能根本就是不存在的。无线传感器网络中有很多应用案例是整个网络采取分布式自组织的形式。在这种组网和工作方式下，各节点的
32、位置及其具体执行的任务都是实时动态调整的，而这种调整又完全依赖于网络中其它节点的获取的环境信息，不受外界其它指令的干扰。也就是说无线传感器网络强调更强调网络本身。与之相对，物联网则是一个有机融合的整体系统。（3）在研究领域中，对无线传感器网络的研究主要集中在诸如节点布置、-5-网络覆盖、网络能耗等于节点有关的方面。而物联网的研究领域则要宽泛的多。正如前文阐述的，物联网包括感知层、网络层和应用层，在每一层中都涉及到很多复杂的技术。如果要实现这么样一个庞大的、可以实现任何物体之间互联的网络，必然会有诸多具体而又复杂的问题需要攻克。（4）无线传感器网络更像物联网的一个子集。无线传感器网络主要的构成就
33、是各种传感器节点，如图 1.2 所示。传感器节点采集监测环境中的各种感兴趣的数据，并通过某种方式传输出去。因此，其在很大程度上属于信息采集部件，就如同物联网中感知层描述的那样。当然，无线传感器网络获取的各种监测数据也要传输到关心它的用户那里，因此，必要的与外部通信是不可或缺的，这里只是为了强调在研究领域，通常不会过多关注网络本身之外的部分。图 1-2 无线传感器网络典型拓扑结构 上述拓扑结构没有考虑其它如节点远程通信、用户中心软件等，因为它们并非无线传感器网络的必要构成要件。从该结构图可以看到，无线传感器网络的主要组成部分包括普通节点，汇聚节点和网关节点(图中未画出)24：普通节点为一般的执行
34、部件，主要完成信息的采集和获取，其通信范围较小，计算能力较弱25。普通节点采集到的数据一般不会进行过多的处理，而是直接传输给汇聚节点。汇聚节点也被称为簇头结点，通常是多个普通节点的中心节点，具有较大的通信半径，同时拥有一定的数据融合与处理能力26。汇聚节点将多个普通节点传输过来的数据进行融合，消除数据间可能存在的冗余性，以降低数据通信量，节省功耗和通信成本，然后将数据打包发送到网关节点。网关节点具有很强的通信能力和计算能力，通常可以直接利用公网如Internet 和专用网络等进行数据的远程传输。目前常见的无线传感器网络中网关节点多选择移动网络 GPRS 或 GSM 短信息网络等方式进行数据传输
35、。相应的，这三种节点的设计成本也是由低到高，即普通节点最经济，网关节点最昂贵。因此，在一个无线传感器网络中，一般只有一个网关节点，数个汇聚节点，而普通节点完成监测区域各种感兴趣目标的监测，通常为了覆盖尽可能多-6-的区域或事件，会大量布置普通的传感器节点，因此这类节点的数目最多27。本文设计的环境监测系统中，前端的各种传感器节点作为感知层中最核心的部件，其本身又形成了一个小的局域性的无线传感器网络：该网络拥有自己的网络拓扑和 MAC 协议，完成特定数据采集任务并向基站进行数据汇聚。1.3 论文研究内容及主要工作和创新点论文研究内容及主要工作和创新点 前面分析了物联网和无线传感器网络的典型应用架
36、构和其主要特点。本文设计的环境监控系统基于二者的这些特征，并按照其典型应用模式完成整个系统的构建。本文的主要研究工作包括：对物联网及无线传感器网络的应用现状和应用模式进行了广泛的调研，并分析了国内外的典型应用案例；按照物联网的典型应用模式构建了整个环境监测系统，包括完成前端传感器节点和网关节点的硬件设计，完成 GPRS 和北斗短报文通信服务的建立，完成上位机监测软件的设计等。本文系统的主要创新之处在于：（1）结合物联网，紧跟信息技术领域的研究热点。正如前文所述，物联网技术是当前炙手可热的研究热点，本文抓住物联网的特征，并依托其成熟的应用框架完成了系统的设计。（2）在通信方式上，本文系统出了提供
37、 GPRS 网络通信外，还支持北斗短报文服务。环境监测系统极有可能被布置到偏远、没有手机信号的地区，因此，为了提高系统的应用领域，拓展其应用前景，本系统在通信方面支持北斗短报文服务，使系统在任何环境下均可以完成数据的传输。（3）监测中心软件实现数据的智能处理。监测中心软件除了采用数据库对数据进行维护，还引入了卡尔曼滤波（Kalman Filter）对数据进行预处理。论文的主要内容安排如下：第一章主要介绍了物联网和无线传感器网络等概念及其近些年的发展概况，明晰了二者的区别与联系，并对其典型应用模型进行了分析和讨论。第二章总体描述整个建筑物楼顶环境监测系统的系统框架，工作模式，主要的技术方案和设计
38、目标。第三章对系统的硬件实现进行讨论，包括硬件框架，组网方案，前端的数据采集节点实现，数据传输功能的实现（GPRS 网络和北斗短报文服务）等。第四章讨论系统的监测中心软件设计，描述了软件的总体设计思想，目标和设计方案，并对其中一些关键功能的实现如数据库，智能数据处理与分析，可视化等进行详细介绍。第五章对全文进行总结和并提出一些展望。-7-2 建筑物楼顶环境监测系统概述建筑物楼顶环境监测系统概述 本章对本文设计的建筑物楼顶环境监测系统的意义、设计目标、关键技术、总体框架和设计方案等内容进行详细讨论。2.1 课题目的和意义课题目的和意义 本文基于物联网理论框架和应用技术实现一个建筑物楼顶环境监测系
39、统。该系统对监测区域的环境参数进行监测。这些参数包括空气温湿度、光照条件、风速、风向等。同时出于安防考虑，本系统在监测区域周围布置若干红外收发器和摄像头，前者主要用于入侵监测，后者可以对监控区域进行拍照。本系统的设计目的即是为了获得监测区域的环境状况并能实时、友好的的呈现给用户。同时，作为系统扩展的功能，能够提供对监控区域的安全防护。本系统对监测区域环境状况的监测和安全防护均在无人值守的情况下进行，自动化程度高，在环境监测和安防自动化领域具有重要的工程应用价值，是物联网应用技术的一次具体实践。2.2 建筑物楼顶环境监测系统总体框架建筑物楼顶环境监测系统总体框架 本文设计的建筑物楼顶环境监测系统
40、按照物联网的典型应用框架设计。按照物联网的层次结构划分，图 2-1 给出了系统的总体设计图。图 2-1 建筑物楼顶环境监测系统总体方案图 本文设计的建筑物楼顶环境监测系统的三个层次可以按照以下的描述进行划分：（1）感知层。感知层在物联网的体系结构中担负着信息采集、物体识别、控制等功能。在本文设计的系统中，感知层的主要构成为测量各种环境参数的传感器节点：包括空气温度、空气湿度、光照、风速、风向等测量传感器。另外，作为系统的一个扩展和保障，该系统要求能够拍摄监测现场的图片；为了保障系统的安全性，在监测现场布置一个由红外传感器构成的红外线栅栏，当有人或其-8-它野生动物进入监控区域时进行报警提醒。因
41、此，综合起来，感知层主要包括各种环境参数测量传感器、视频摄像头和若干红外传感器构成的红外线栅栏。所有的传感器节点均按照 ZigBee 协议涉及。传感器采集到的数据以及视频摄像头拍摄的图片数据等按照该协议首先被传输到监测方网关。监测方网关具备远程数据传输能力，其同时支持 GPRS 无线数据传输和北斗短报文数据传输业务，在一般情况下，所有数据均通过 GPRS 和北斗短报文同时传输至远程数据中心以增强系统的容错能力。而在较为偏远的地方，如果没有 GPRS 无线网络，则只能依赖北斗短报文服务进行数据传输，且因为图片数据量太大，此时只传输传感器采集到的各种环境监测数据。（2）网络层。网络层在物联网体系结
42、构中主要完成数据的路由、传输功能。通常，物联网系统的网络层都是直接利用现有的一些网络技术条件和具体的网络实现来完成数据的传输任务，如 Internet 网络、移动网络、卫星传输网络等。本文设计的建筑物楼顶环境监测系统中的网络层利用两类网络：GPRS 无线移动网络和北斗网络，前者主要通过手机移动数据网络并最终接入 Internet 公网完成数据传输，后者则是利用北斗卫星导航通信系统传输一些数据量较少的短报文。在本文设计的系统中，之所以使用两种数据传输方式，主要基于两个方面的考虑：一是为了保证数据传输的正确性与完备性：由于软硬件方面的限制和外界环境的干扰等，任何数据传输都不可能保证百分之百的无丢失
43、和正确率，因此，提供两种数据传输方式可以互补两者之间的不足，在其中一方数据出现丢失或错误的情况下仍然能够得到正确的数据；二是考虑到 GPRS 网络在有些偏远地区没有信号覆盖，此时这种传输方式便无法实现，只能借助于卫星通信来进行数据传输。两种网络通信方式互相配合，保证了系统工作的稳定性和良好的适应性。（3）应用层。应用层在物联网体系中处于最顶层，是用户直接与之打交道的部分，也是整个系统最终要服务和提供服务的接口。本文设计的建筑物楼顶环境监测系统中的应用层完成数据的后处理工作。这里的应用层主要指运行在 PC端的应用软件和与其配套的一些设施。本文基于微软的 MFC 设计了一个应用层软件，该软件主要完
44、成以下几个方面的工作：a.设计一个完善的数据库系统，以完成数据管理。为了获得被观测区域的环境参数，环境监测是一个长期的过程。因此，观测数据量将会十分庞大。为了有效的对数据进行管理，包括存储、查询、处理等，本文基于 Microsoft 的Access 设计了一个数据库，从而有效提高了数据的管理能力。b.引入了卡尔曼滤波对数据进行处理。该算法完成数据平滑滤波并可以做简单的预测。c.设计一个用户友好的图像显示界面，方便用户使用。本文设计的应用层软件提供良好的显示功能和用户交互接口，为用户提供方便的数据查询，结果观察等，给用户一个良好的体验。以上三个层次与物联网的分层结构相对应。三层结构互相之间功能明
45、确，形-9-成一个结构完整、功能完善、使用方便的物联网应用体系。图 2-2 所示为本文设计的建筑物楼顶环境监测系统的拓扑图的抽象表示。传感器组摄像头Zigbee通信监测方网关监控中心网关GPRS/3G北斗短报文数据中心RS232等 图 2-2 建筑物楼顶环境监测系统拓扑简图 2.3 设计目标设计目标 本文建筑物楼顶环境监测系统的设计目标如下：功能要求：（1）能够正确采集并传输空气温湿度、光照、风速、风向等环境参数；（2）能够对监测现场进行拍照并将图片数据传输至数据中心；（3）能够对数据进行存储、查询、分析、处理、显示等操作。性能要求：（1）实时性：本文设计的建筑物楼顶环境监测系统在数据的采集与
46、传输方面应该有较高的实时性。为了及时显示当前被监测区域的环境状况和安全状况，建筑物楼顶监测数据的采集与传输应具有较强的实时性。（2）稳定性：系统应能长时间稳定运行。环境监测是一个长期的过程，安防也是时刻不能懈怠的工作，因此，本文涉及的系统应具备较好的稳定性。（3）安全性：系统提供安防措施，对于侵入者应具备实时报警功能。（4）友好性：系统应能提供一个友好的使用界面。本系统的前端数据采集和后续的数据传输等部分对用户应呈现为透明，系统需提供一个底层无关的、可视化效果较好的用户操作界面。2.4 设计方案设计方案 对于以上功能方面的要求，主要通过以下方案实现：（1）环境参数及现场图片采集：采用支持 Zi
47、gBee 协议的无线传感器节点采集空气温湿度、光照、风向风速等环境参数；采用简单的嵌入式摄像头拍摄现场图片。（2）数据的存储、查询、分析、处理、显示等操作：对于数据管理，前文已经提到过，本文将设计一个基于 MS Access 的数据库系统以提高数据的管理效率。而数据分析、处理、显示将由本文设计的相应的上位机软件实现。对于系统性能方面的要求主要通过以下的方案来保证：（1）采用 GPRS 无线网络通信和北斗短报文数据传输相组合的方式完成数据的远程传输。GPRS 无线通信具有传输速率高、接入时间短等优点；而北斗短报文基于北斗导航卫星的点到点传输，速度快，稳定可靠。此外，由于环境监测的数据采样频率不会
48、特别高，因此本文设计的系统可以满足数据实时传输的要-10-求。（2）软硬件系统基于物联网的典型结构搭建，相关技术成熟。本文设计的建筑物楼顶环境监测系统基于物联网理论中典型的三层结构模型设计，相关的理论和技术有成熟的应用范例。因此，系统整体稳定可靠，可以满足稳定性的要求。（3）在监测区域布置由多组红外信号收发器组成的红外线栅栏，并为硬件设备设计相应的结构。同时，系统搭配有视频摄像功能，一旦发生异常入侵，系统可以发出警报并对现场进行拍照。为了抵抗恶劣的自然条件，本文设计的建筑物楼顶环境监测系统为硬件设备设计了相应的外围结构。因此，系统安全性可以得到保障。（4）采用 MFC 开发一套完整的数据查询、
49、显示、分析、处理程序，为用户提供一个友好的使用界面。整体的可视化效果良好，具有较好的用户体验。综上，对于 2.3 中提出的性能指标要求，本文提出的系统设计方案在功能指标和性能指标上均可以满足。因此，本文提出的建筑物楼顶环境监测系统的总体方案可行，能够实现前述的各项要求。2.5 本章小结本章小结 本章概述了建筑物楼顶环境监测系统的系统框架，并对其设计目标进行了描述，同时针对具体的系统设计目标，给出了本系统的设计方案。本文的整个系统框架基于物联网典型架构，设计方案切合设计目标，能够满足本文的设计要求。-11-3 建筑物楼顶环境监测系统硬件设计建筑物楼顶环境监测系统硬件设计 本章介绍建筑物楼顶环境监
50、测系统的硬件模块设计，主要包括：前端环境参数采集传感器网络设计、监测方网关设计、供电方案等。另外，本章还将对属于网络层范畴的网络接入方案、远程通信等进行简单说明。接着，本章介绍建筑物楼顶环境监测系统的嵌入式软件设计。下面首先介绍硬件系统总体设计思路，随后分别对以上各个主要设计内容进行详细介绍。3.1 硬件系统总体设计硬件系统总体设计 3.1.1 硬件系统总体设计方案 本文设计的建筑物楼顶环境监测系统的硬件部分主要完成环境参数的采集（包括监测区域的空气温湿度、风速、风向、光照条件等）、监控现场图片的拍摄、监控区域内的入侵监测和报警，并能将所有采集到的数据和拍摄的图片以及入侵警报信息实时传回监控中