基于物聯(lián)網(wǎng)的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆徐玉峰

（南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校江蘇 210019）

企業(yè)在發(fā)展過程中，會(huì)不斷擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，并且購置多種先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，在生產(chǎn)中運(yùn)用科學(xué)合理的生產(chǎn)技術(shù)，但是在生產(chǎn)環(huán)境中，仍會(huì)存在許多因素，會(huì)引發(fā)生產(chǎn)環(huán)境出現(xiàn)事故，包括爆炸事故、火災(zāi)事故以及氣體泄漏事故等[1]。針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中不利因素引發(fā)的安全事故問題，企業(yè)在生產(chǎn)所在的環(huán)境中，積極應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)多傳感器數(shù)據(jù)采集體系，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)生產(chǎn)環(huán)境。

1 物聯(lián)網(wǎng)及多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的概述分析

1.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感器、射頻識(shí)別術(shù)、全球定位系統(tǒng)以及紅外感應(yīng)器等各種相關(guān)裝置及技術(shù)，而實(shí)現(xiàn)采集、監(jiān)控及互動(dòng)的過程。其主要采集的信息如：光、電、化學(xué)、生物等重要信息，然后通過各類可能的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入，從而可以實(shí)現(xiàn)物與物之間、物與人之間的連接，實(shí)現(xiàn)智能化感知以及識(shí)別管理過程。可見，物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)以及多傳感器下的信息載體[2]。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)由以下幾種元素組成：傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)以及管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)用于對(duì)物體進(jìn)行全面的檢測(cè)，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，匯聚節(jié)點(diǎn)用于處理獲取的物體信息，管理節(jié)點(diǎn)用于優(yōu)化和調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)，并根據(jù)需要與匯聚節(jié)點(diǎn)相互融合[3]。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展期間，自身體現(xiàn)出多種優(yōu)勢(shì)：首先，可以在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)布置數(shù)量較多的傳感器節(jié)點(diǎn)；其次，優(yōu)化和調(diào)節(jié)拓?fù)錁?gòu)件；三，借助通信機(jī)制傳輸和接受信息；四，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境處于開發(fā)的狀態(tài)；四，各個(gè)節(jié)點(diǎn)具備組織能力，可以相互協(xié)調(diào)，使網(wǎng)絡(luò)保持在穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。

2 設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)層與實(shí)現(xiàn)方式

2.1 設(shè)計(jì)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器構(gòu)件

在系統(tǒng)中，其無線網(wǎng)絡(luò)層主要承載著多傳感器的無線數(shù)據(jù)采集端，且是非常重要的端口，該采集端的主要功能是實(shí)現(xiàn)在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程，且該采集端能夠?qū)⑺杉降臄?shù)據(jù)內(nèi)容通過GPRS傳輸?shù)较鄳?yīng)的服務(wù)器中。其中在數(shù)據(jù)采集時(shí)，主要分為兩種類型的數(shù)據(jù)來源具體如下：第一種是圖像數(shù)據(jù)采集方式。即指由不同采集裝置攝像設(shè)備所拍攝的圖像組成；第二種則是環(huán)境數(shù)據(jù)采集的方式。由各類傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，其中主要包括溫度、濕度、煙霧等，八大種類。在采集的過程中，圖像數(shù)據(jù)主要是通過圖像的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采集的，而在環(huán)境數(shù)據(jù)的采集過程中，主要是由環(huán)境節(jié)點(diǎn)的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的。

2.1.1 類型和規(guī)格

主要傳感器構(gòu)件類型和規(guī)格如下：（1）首先是數(shù)字溫度傳感器構(gòu)建部分，一般常見型號(hào)為DS18B20 ，傳感器的量程溫度一般設(shè)定在零下55感到零上125器，其數(shù)字溫度傳感器的境地大小為±其數(shù)字溫；該傳感器具有精度高的特點(diǎn)；（2）第二種則是溫濕度傳感器，該傳感器的型號(hào)為DHT11，該傳感器的濕度調(diào)控范圍一般在0-90%RH，其中濕度精度為±其中濕度，溫度在0-50℃范圍內(nèi)，精度為±圍內(nèi)；該傳感器的使用，具有濕度及溫度測(cè)量，全部校準(zhǔn)， 數(shù)字輸出；卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性的特點(diǎn)；（3）MQ-2 煙霧傳感器，該傳感器可以檢測(cè)環(huán)境中的可燃?xì)夂蜔熿F，檢測(cè)精度在100-1萬ppm范圍內(nèi)；（4）MQ-5 液化石油氣傳感器，該傳感器可以檢測(cè)煤氣、液化氣以及天然氣，檢測(cè)量程在300-5000ppm范圍內(nèi)；（5）MQ-7 一氧化碳傳感器，該傳感器可以檢測(cè)一氧化碳?xì)怏w，檢測(cè)量程在 10-1000ppm范圍內(nèi)；（6）MQ-137 氨氣傳感器，該傳感器可以檢測(cè)生產(chǎn)環(huán)境中含有的有害氣體，檢測(cè)量程一般控制在10-300ppm范圍內(nèi)；（7）MQ-138 醛酮醇類氣體傳感器，檢測(cè)的氣體分別為苯、甲苯、甲醇、酒精、丙酮以及甲醛等，檢測(cè)量程分別為1-100ppm、10-100ppm、5-100ppm、30-300ppm、10-300ppm以及1-10ppm；（8）MG-811 二氧化碳傳感器，該傳感器用于檢測(cè)二氧化碳，檢測(cè)量程在0-1萬ppm范圍內(nèi)。在檢測(cè)二氧化碳時(shí)具有較高的靈敏性及選擇性的特點(diǎn)[4]。

2.1.2 匯聚節(jié)點(diǎn)

在環(huán)境數(shù)據(jù)多功能傳感器中，其每一個(gè)重要的組成部分都各盡其職，檢測(cè)周圍的環(huán)境及對(duì)應(yīng)的環(huán)境數(shù)值。在進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集過程中，由于所采集的數(shù)據(jù)的樣式存在不同，所以需要一個(gè)匯集的節(jié)點(diǎn)，因此衍生出了匯聚節(jié)點(diǎn)，其起著協(xié)調(diào)管理的作用[5]。

多傳感器數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，使用型號(hào)為STM32W108匯聚節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)具備以下特點(diǎn)：一，可以在線實(shí)時(shí)調(diào)試傳感器；二，匯聚節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置多個(gè)I/O端口，向多種類型的傳感器提供連接條件；三，在匯聚節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)置LCD液晶屏，由液晶屏向工作人員顯示生產(chǎn)環(huán)境中的圖像和文字；四，該型號(hào)匯聚節(jié)點(diǎn)符合 IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議要求；五，匯聚節(jié)點(diǎn)最大傳輸速度為每秒 250kbps。

2.1.3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般分為六種，每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)各不相同：一，星型結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢(shì)在于控制較為方便，系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，劣勢(shì)在于需要較高的性能；二，環(huán)型結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢(shì)在于構(gòu)建環(huán)型鏈路，劣勢(shì)在于穩(wěn)定性較差；三，總線型結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢(shì)在于連接網(wǎng)絡(luò)方式較為簡(jiǎn)單，劣勢(shì)在于訪問媒體設(shè)備過程較為煩瑣；四，分布式結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢(shì)在于可以控制分散結(jié)構(gòu)，劣勢(shì)在于節(jié)點(diǎn)連接過程中，出現(xiàn)的故障會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行。

結(jié)合六種拓?fù)涔?jié)后，在本系統(tǒng)中所采用的拓?fù)錇樾切屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，將其作為環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器的無線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用，能夠滿足于傳感器節(jié)點(diǎn)的不同需求，如在環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)間不需要進(jìn)行聯(lián)合相互工作；在任意一個(gè)子節(jié)點(diǎn)處若出現(xiàn)失效的現(xiàn)象，則不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行，且該系統(tǒng)的可靠性較高；會(huì)有效避免因網(wǎng)絡(luò)的問題導(dǎo)致的延遲現(xiàn)象。

2.2 組建無線網(wǎng)絡(luò)

組建無線網(wǎng)絡(luò)分為六步，其中兩步較為關(guān)鍵，第一步組建流程如下：一，初始化；二，初始化狀態(tài)下，設(shè)置直接隊(duì)列和間接隊(duì)列；三，打開無線，在通信環(huán)境中建立能量最小的可用信道；四，使用隨機(jī)函數(shù)設(shè)置ID，并將網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)設(shè)置為Ture。第二部組建流程如下：一，將是否在網(wǎng)絡(luò)中的狀態(tài)選擇為否；二，初始化節(jié)點(diǎn)狀態(tài)；三，構(gòu)造類型為PT-SUN-SEARCH的幀，將該幀發(fā)送至信道內(nèi)；四，在信道上建立Sun網(wǎng)絡(luò)，勾選申請(qǐng)加入；五，加入請(qǐng)求被接收并且加入包成功被傳送；六，完成。

2.3 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)

無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)流程，分別為PLANET子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸流程和SUN主節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)流程。在PLANET子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸流程中，傳輸流程如下：一，開始；二，初始配置工作；三，檢測(cè)是否有按鍵按下，選擇是；四，向SUN節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包；五，完成。在SUN主節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)流程中，傳輸流程如下：一，開始；二，初始化；三，循環(huán)檢測(cè)是否接收數(shù)據(jù)包，選擇是；四，接收數(shù)據(jù)包并且改變指示燈的狀態(tài)；五，檢查是否發(fā)包；六，SUN調(diào)用通信函數(shù)向所有Planet節(jié)點(diǎn)法數(shù)據(jù)包；五，完成。

3 設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路與實(shí)現(xiàn)方式

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路中，其數(shù)據(jù)鏈路層主要承載的是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。所謂的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在其整個(gè)大系統(tǒng)中承載著承上啟下的作用效果。首先該數(shù)據(jù)鏈路層連接了相關(guān)的感知網(wǎng)絡(luò)，并收集感知的數(shù)據(jù)，其次，該結(jié)構(gòu)部分能夠向上層傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。而物聯(lián)網(wǎng)則起到一個(gè)紐帶的作用，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)則會(huì)將不同類別的網(wǎng)絡(luò)形式進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果。在本次研究中，我們將選擇TQ6410 嵌入式開發(fā)板。將其與一端的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相互連接，然后使其能夠接收到來自于無線網(wǎng)絡(luò)層傳輸過來的環(huán)境數(shù)據(jù)以及圖像數(shù)據(jù)的信息。該嵌入式開發(fā)板的另一端則應(yīng)當(dāng)與GPRS Modem 進(jìn)行連接，然后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過PPP進(jìn)行撥號(hào)上網(wǎng)，最后抵達(dá)GPRS網(wǎng)絡(luò)到達(dá)中央數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.1 TQ6410嵌入式開發(fā)板

本系統(tǒng)中TQ641 0嵌入式開發(fā)板內(nèi)會(huì)設(shè)置較多的端口，每個(gè)端口的用途各不相同，以COM-2接口為例，配置的外設(shè)為調(diào)試PC。TQ641 0嵌入式開發(fā)板具有穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)，在復(fù)雜的環(huán)境中可以充分發(fā)揮穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)。

3.2 TQ6410網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

根據(jù)網(wǎng)關(guān)典型架構(gòu)，TQ6410 網(wǎng)關(guān)架構(gòu)具備滿足典型架構(gòu)的建立需求，包括較高的連接功能、快速轉(zhuǎn)換協(xié)議功能以及管理功能。在TQ6410 網(wǎng)關(guān)架構(gòu)中，會(huì)設(shè)置多種模塊，分別為數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)解析模塊、協(xié)議解析模塊以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。

4 結(jié)語

綜上所述，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與物聯(lián)網(wǎng)、GPRS通信等相互融合，在融合的網(wǎng)絡(luò)中，配置八種環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器，可以實(shí)時(shí)獲取檢測(cè)環(huán)境的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)變化，掌握生產(chǎn)環(huán)境的情況，如果數(shù)據(jù)超出可控范圍，工作人員應(yīng)及時(shí)發(fā)出預(yù)警，做好預(yù)防工作，防止生產(chǎn)期間出現(xiàn)安全事故，保證企業(yè)正常生產(chǎn)運(yùn)行不受影響。