基于物联网方式的温湿度传感测量综合设计.docx
北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计基于物联网方式的温湿度传感测量综合设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：信息学院通信工程朱润彬学 号：职 称：160108104432李华颂副教授中国·珠海二二零年五月摘 要随着社会的不断发展和技术的不断进步，物联网和传感器的使用也越来越受到人们的认可。 在制造环境中的生产和使用中，对温度和湿度的测量提出了越来越高的要求，因此设计了一种基于物联网的温度和湿度传感器系统。物联网一般是通过三个不同部分而形成的系统：一为感知层，二为传输层，三是应用层。 感知层的作用分别为获得和处置传感器的信息。 传输层通常由两部分组成：现场无线传感器网络和GPRS远程通信。该设计采用DHT11温湿度传感器和CC2530无线通信模块生成温度和湿度，安装一无线传感器网络，使用基于GPRS的无线通信器件进行远距离的通信，通过物联网采集的样本、控制温度和湿度信号，最终实现温度和湿度传感测量系统。关键词：物联网，传感器，温湿度AbstractWith the constant growth of society and the unceasing progress of technology, the forthputting of the Internet of Things and the forthputting of sensors is gradually approved by people. In production and use in a manufacturing environment, higher and higher requirements are placed on the measurement of temperature and humidity, so a temperature and humidity sensor system based on the Internet of Things is designed.The IoT system is made up of three points: the perception layer, the transmission layer and the application layer. The perception layer is mainly involved in acquiring and processing sensor information.The transport layer is generally composed of two parts.One is field wireless sensor network ,another is GPRS remote communication.The programming makes up of the DHT11 temperature and humidity sensor and CC2530 wireless communication module to produce temperature and humidity, place the wireless sensor network, and then through the GPRS-based wireless communication unit for remote communication and transmission, through the Internet of things sampling, control temperature and humidity signals, and finally achieve Temperature and humidity sensor measurement system.Keywords:Internet of Things，sensor，Temperature and humidity目录第一章 绪论11.1基于物联网方式的温湿度传感测量的意义11.2基于物联网方式的温湿度传感测量系统的现状21.3基于物联网方式的温湿度传感测量系统的内容3第二章 基于物联网方式的温湿度传感测量的总体设计42.1整体方案需求42.2总体设计4第三章 温湿度传感器模块设计53.1传感器的设计53.2 DHT11传感器73.2.1 DHT11传感器概述73.2.2 串口通信113.2.3 相关注意事项113.3无线通信模块123.3.1 无线通信模块概述123.3.2 传感器数据采集设计14第四章 基于GPRS的通信模块设计184.1 GPRS设计概述184.2模块整体设计19结论24参考文献25致谢26附录27第一章 绪论1.1基于物联网的温湿度传感测量的意义物联网从简单的方面来说，是指将各式各样的我们现实生活中的物理对象连接到互联网，这些连接的对象往往是令我们意想不到的。从我们家里用的冰柜和电灯等家用的电器，到交通运输的设备车辆和医疗器械和设备，再到目前的可穿戴设备例如智能手表，甚至还有我们的智能城市。具体来说，物联网就是指不需要人为干预的条件下，通过无线传输的接收系统和传输系统的物理设备系统。而这一切都源自于各种物理对象对传感器的集成。一个经典的物联网系统的工作模式是不断的接收发送并且分析数据，举个简单的例子，为了预测某人回家前调整温湿度调节器的最佳时间，物联网系统会获取他所在的区域交通信息和出勤习惯，这样在无需干预的情况下就能实现更理想的效果。传感器技术在我们现代的科学发展中起着极其巨大的作用，人们非常重视对它的研究开发， 在未来这项技术将引领潮流。 传感器技术的应用前景十分广阔，像航空器和海洋船舶等重要的产业等。还有自动化的生产，军事防御和尖端科学与工程，而且它关系到人们的生活密切相关的方面。其中，温湿度传感器在我们的日常生产中有很大的用途。 因此，基于物联网的温湿度传感系统的开发与应用可以帮助我们更好地实现温湿度信息的实时监控，对生产有利。近年来，随着国内物联网的深化使用，传感器技术也逐渐兴起，它利用自身独特的收集数据的优势，打造出一种高度自动化的生产方式，解决了传统工艺中许许多多的难题。传统工艺中，许多数据都需要人工测量，既费时又不精准，而现在通过传感器技术在操作台便可以很快地得到检测结果，这就是工业自动化生产的一部分。在我们的生产过程中还会需要很多形式各样的传感器，用以检测数据，我们在检测中心便能获得所有数据，通过分析异常数据并干预从而确保生产活动的正常进行。所以说传感器技术是我们现在生产的核心技术之一。目前来看，国内外传感器市场的调整将完成。 各个行业对传感器的需求一直在持续。随着社会经济技术的发展，世界上大多数国家的政府都在促进和支持采用新的工业和农业技术来复兴农业技术和工业技术。他建立了大型工业农学研究所和技术推广服务。中国是工农业最好的国家，工农业生产在改善人民生活和增加人民收入方面发挥着重要作用。维持和控制工业和农产品的温度和水分含量的最重要方法是生产和生活中的关键技术。因此，我们迫切需要采用现代技术来改善生产环境的监视环境，因此我们采用了检测，传输，处理和控制环境中的温度和湿度信息的技术来实现自动控制和管理。工农业生产全过程，有效提高产品管理的健康水平，降低生产风险，实现工农业健康快速发展。1.2基于物联网方式的温湿度传感测量系统的现状在今天经济全球化的大背景下，各国对物联网的研究不断深入，与物联网有关的技术迅猛发展，这也加速了物联网相关标准化的进度。而物联网的系统结构也成了各国关注的重点，因为它对推动物联网走向规模化发展和可持续发展具有重大意义。经过近几年的发展，我国在物联网相关领域取得了许多进展，有关物联网的技术取得了突破。与物联网理念相关的各种产品已经渗透到各行各业中，并在这些行业中起到越来越关键的作用。随着互联网，移动互联网，云计算和物联网的快速发展，终端设备也从人与人之间的通信逐步扩展到了物物通信。物联网让现实生活中的终端设备也能够成为网络的一部分，只要有网络的地方，各种终端设备也能够连接在一起。就目前的发展趋势来看，未来的终端设备将显示出比当前市场大十倍的比例。从短期来看，智能手机和平板电脑是明朗的，从中期来看，诸如智能电视和智能家居之类的智能家居设备将带来一波智能家居终端热浪。目前物联网的接入方式是多种多样的，在我国使用的较多的一种是无线通信。按照通信的距离来划分的话，可以分为短程无线通信和基于广域网的无线通信。短程无线通信主要有蓝牙、Zigbee、wifi和NFC等等，其中蓝牙和wifi已经大规模应用于家居、手机等，市场相对来说成熟。从应用上来说，短程通信的相关技术将会持续面向智能家居、手机、医疗发展。广域网的无线通信，从2G时代到现在的5G时代，市场对产品的智能化要求越来越高，因此新的技术也将不断出现并走向成熟。从设备的生产到提供设备的网络服务，物联网服务已经形成了一条完整的产业链。跨边缘设备，路由和云服务上的物联网软件的分布式体系结构可以使物联网解决方案促进现代微服务的开发。我们拥有广泛的无线连接装置，例如LoRaWAN，Sigfoxa或和3GPP等。包括思科和Microsoft在内的领先物联网企业将会投资于低成本或者是零成本的培训和认证，目的是打造一个认证标准。与此同时，行业内也推广特殊的认证。目前来说，行业内已经有许多开发商已与企业制造商一起对物联网兼容产品进行认证。包括互联网提供商在内的各种企业都使用网络中继器，使客户可以在家庭中进行互连。从长远来看，物联网分析工具和应用将从初创公司转变为公司的应用和功能。产品设计，市场营销和客户支持团队使用物联网监视来改善用户体验，交付产品和服务并促进客户参与。1.3基于物联网方式的温湿度传感测量系统的内容温度和湿度传感器是指可以将温度和湿度转换为易于测量和处理的电信号的设备。温度和湿度传感器一般用来测量温度和相对湿度，应用在工业自动化生成，食品存储和药品存储，档案文件保存还有其他行业。温度和湿度传感器用于监视智能耕作：土壤中已安装了几层湿度传感器。在此过程中，如果土壤湿度传感器降至某个水平以下，则整个系统将提供预警。温度和湿度传感器促进了“智能温室”的建设。技术人员可以直接通过计算机或移动电话控制。温度和湿度传感器在家庭中的简单应用：在家庭环境监视系统中，实时监视每个点的状态，并将其实时上传到监控中心。家庭环境监控系统使用大量的温度和湿度传感器来帮助记录温度和湿度的变化。借助温度和湿度传感器，家庭监视系统可以监视家庭气氛的温度和湿度进行调节，从而节省能源，保障安全并改善人们的生活条件。 基于物联网方式的温湿度传感测量系统结构第二章 基于物联网方式的温湿度传感测量的总体设计2.1整体方案需求系统设计要求应用物联网技术实时监视目标环境中的温度和湿度变化，从而简化管理和生产。该系统还要求传感器节点在复杂的监视区域中准确收集所需的温度和湿度数据，并将所需的温度和湿度数据传输到实时监视系统，以便管理人员可以对其进行查询并通过监视系统进行实时监视和了解，处理必要的数据。该设计具备以下条件：使用远程访问功能，管理者可以远程监视传感器网络的状态和数据。为了监视环境的温度和湿度，在复杂的环境中需要足够长的时间。必须具有理解和收集有关温度和湿度的信息的能力，并可能收集有关环境的温度和湿度的。具备足够的数据存储，因此可以在远程数据库中存储大量传感器数据并访问脱机数据。2.2总体设计本次的设计使用到两个模块，一个是基于DHT11温湿度传感器，另一个是CC2530无线通信模块，实现收集温度和湿度，建立无线传感器网络，并通过基于GPRS的通信单元进行数据传输。此外，传输和处理传感器网络收集节点之间的数据，然后使用串行通信技术对无线系统进行数据处理。无线传感器网络中的传感器节点有三个，分别为温湿度采集节点，通信节点和采集节点。当近程监视站点时，该系统的监视站是一台计算机。进行远程监视时，必须登录GPRS模块，GPRS模块负责通过GPRS将信号加载到远程监视计算机上。第三章 温湿度传感器模块设计3.1传感器的设计基于CC2530的温湿度传感器模块是由多个传感器和模组构成的，包含了传感器节点微控制器，温湿度传感器，无线模块和电源模块等四个部分。传感器节点由三个不同的节点构成才能正常工作：获取节点，通信节点和主节点。监视环境中安装了许多温湿度传感器。每个传感器都能实时收集温度和湿度数据，通过无线模块传输给温湿度节点，最终主节点一起发传输数据。无线模块：由一个具有单个射频芯片，杆状天线和2.4G载波频率的微型计算机组成，主要负责处理，接收和发送信号。传感器模块：主要功能是收集温度和湿度信息并将其转换为数据信息。电源模块：传感器控制模块和无线模块之间的连接用于提供电力给系统。温度和湿度信息由温度和湿度收集节点收集处理，并转换为可处理的信号，然后将其发送到通信节点，然后由通信节点发送该信号，通过主节点一起发送。温湿度传感器节点的微型控制器主要作用是控制整个传感器模块的运行和维护，包括继电器模块，温湿度传感器模块和RS232模块。温度和湿度传感器节点的主要作用是通过特定的器件收集环境中的温度和湿度信息，并将其转换为可处理的信号。协调器的作用是建立一个网络，能够传输信息并将信息保存在网络节点上，用来执行任务。协调器的硬件一般由时钟电路、存储器、处理器、电平转换电路、天线等构成。在该系统中协调节点的基本控制器是CC2530，它只需要耗费非常少的外围电路即可执行无线通信。温湿度传感器结构图 传感器节点模型3.2 DHT11传感器3.2.1 DHT11传感器概述DHT 11温湿度传感器最大的特点就是能够进行数字校准信号输出，它是由一个集成的温度和湿度传感器组成的。它利用了一种不寻常的数字模块采集技术和温湿度检测技术，可以保证产品在一定时间里极其高的可靠性和极佳的稳当性。这种传感器搭载了电阻式湿度检测器和NTC温度测量模块，并且有性能极佳的8位微控制器。这种产品相对来说优势很多，其中有质量高，反应迅速，抗干扰能力强，性价比也比同类产品高。使用多个DHT11传感器在室内进行测量能得到校准系数，这些数据将作为程序数据保存在存储器中，同时处理器内部在检测信号时会自动为这些数据命名，单线串行接口使系统集成变得容易和快速。因为它体积比较小功耗也比同类产品低的优点，使它受到市场的青睐。该产品是4针单线封装，便于连接。图4 DHT11 5 电器特性 引脚说明 7 DHT11性能3.2.2串口通信数据引脚用于微控制器和DHT11温湿度传感器之间的同步和通信，并且使用单总线数据格式， 大概有4毫秒的通信时间，数据有两个部分为整数部分和小数部分。 用户用微控制器发送启动指令，DHT11传感器会由低功耗模式转变为快速模式，主机启动指令完成后，DHT11传感器发送响应指令开始采集数据，用户可以选择手动方式读取数据，DHT11传感器将在收到启动指令后开始温湿度采集。 采集数据后，会切换到低速模式. 主机总线的空闲状态很高，将总线拖下，等待DHT11传感器响应。 主机必须拉下总线超过18毫秒，用来保证DHT11传感器检测发送的启动指令。 当从主机接收到启动指令时，DHT11传感器等待直到主机启动指令终止，然后发送80微秒时间的响应指令。主机发送启动指令后将延迟40微秒左右，然后获取DHT11传感器响应指令。与此同时切换到输入模式，总线顶部上拉电阻为低电平时，这说明DHT11传感器已经发送响应指令。DHT11传感器发送响应指令后总线将响应80微秒左右用来准备进行数据传输，每个数据位以50个电平的时隙开始，然后根据电平的长短确定数据位是0还是1。如果读取的电平为高电平，则DHT11传感器是不会对之做出响应的。数据传输完成后，DHT 11传感器将总线拉至50微秒，最后上拉电阻上拉，总线将处于空闲的状态。3.2.3 相关注意事项第一，不能超过的标准规定范围否则将会产生RH的漂移信号。虽然传感器会回到正常状态，但这一过程是缓慢的。需要特别注意的是，长时间超过规定范围使用可能会导致产品的损坏。第二，电阻式湿度传感器的传感器会受到化学试剂的影响，这些化学试剂可能会导致测量结果的不准确，所以应避免这种情况的发生。和第一点一样，长期处在这种异常的环境中可能会导致产品完全损坏。第三，在进行的校准时候，可以通过以下处理步骤将处于极端工作条件或化学蒸汽的传感器重新安装到标准状态。在50至60摄氏度和小于百分之十相对湿度下干燥120分钟，然后在20-30摄氏度且大于百分之七十相对湿度下干燥300分钟。第四，检测气体的湿度时，应控制好温度，因为高温或低温都会导致检测的误差。同时也要避免长时间暴露在辐射光线下，这样也会到时检测的误差甚至造成产品的损坏。第五，数据信号电缆质量的好坏直接决定了通信的质量和距离，为了避免出现通信不良的情况，应使用品质较好的屏蔽电缆。3.3无线通信模块3.3.1 无线通信模块概述Cc2530芯片介绍：cc2530引脚功能cc2530模块3.3.2传感器数据采集设计 数据采集流程程序代码：第四章 基于GPRS的通信模块设计4.1 GPRS设计概述GPRS的全称是 General packet radio service，中文名称是通用的无线分组服务。跟以前通过GSM电路进行数据传输数据的等传统的方式作对比，GPRS具有随时在线，具有收费标准，连接速度快和能够进行大量数据传输的优点。GPRS是一种快速的数据处理技术，而它的这一系列优点恰恰适用于目前物联网的应用，使用这种通信方式可以一定程度降低我们的费用。基于GPRS的通信单元的设计必须满足一些基本的远程数据采集和广播功能。以下是根据系统要求执行的操作功能：采集功能：流经传感器的电压或电流信号的信息以短信形式通过单片机发送到广播。短消息功能：它可以定期发送或发送到控制中心，并且主机可以用投票的方式指定查询。数据中心：能够收集到我们手机等其他终端设备异常从而做出迅速的反应。远程控制：控制中心可以通过使用短消息来更改终端和数据格式的发送方式，同时通过控制开关输入来控制开关输入。远程数据采集终端包括传感器，GPRS通信模块和单片机，可以对我们所需要的的数据进行采集并发送，而我们的中心处理模块由两个部分组成：GPRS通信模块和数据库后台模块，可以通过接收并分析从终端发送的数据，从而再向采集模块发送我们所需的指令，并执行必要的操作任务以完成任务。优势：（1）数据传输速度。 GPRS手机比GSM手机快10倍，可以满足用户的特定需求，并且能够始终如一地广播高性能音频和视频文件（2）始终在线。由于建立新连接不需要很长时间花费，这样一来我们就能随时随地地接入网络。但是如果终端不支持GPRS的话，当在上网的时候恰好有电话接入，则在大多数情况下，将在切断连接线路后连接到呼叫并在通话后再次连接互联网。使用GPRS，您可以轻松解决这种差异；（3）取决于数据流。计费基于您提交的数据量，而不是计费时间。换句话说，只要不传输数据，即使处于“在线”状态，也不会产生收费。技术的优点很多：GPRS将两种不同的技术结合起来，一种是移动通信，另外一种是数据通信。这是GSM网络和数据通信的发展和集成的必然结果。 GPRS使用的是分组交换技术，这种技术的内容是多个用户共享某些信道资源时最多允许8个时隙。如果在空中接口中包括8个TDMA插槽用于交换数据，则可以提供对高达71.2 kbps的数据的无线访问，这可以为用户提供具有成本效益的服务和合理的定价策略。 GPRS不仅允许运营商直接提供丰富多彩的服务，而且还提供了第三方服务提供商的可访问性，从而促进了服务和网络服务的有效分离。另外，GPRS可以显着提高GSM系统的无线资源利用率。使用大量的GSM网络资源。4.2模块整体设计该通信单元使用G20模块在GPRS网络的覆盖区域中执行远程数据收集。 G20模块是摩托罗拉推出的双频GPRS无线型号，主要提供用于数据服务的无线接口，短消息传输和语音传输。 G2O模块主要集成了射频电路和GPRS基带处理器，使其适合开发基于GPRS的无线应用产品。我们这次使用的G20模块支持GSM07.05通讯标准，指令集中包括SMS控制，使用AT89C52串行端口，向G20模块发送一系列AT命令，从而达到了控制SMS消息发送和接收的目的。 G20模块通过异步通信接口，实现SMS控制。共有三种协议：第一种是基于AT命令集的文本模式，第二种是PDU模式，以及基于AT命令集的块模式。 PDU模式是发送和接收SMS的一种形式。为了确保通用易用性，我们使用PDU模块发送和接收SMS。PDU就像一个包含SMS的数据包。作为由数据单元建立的通信单元，它完整地记录了实时源，目的地，协议类型，数据格式和文本等。主体总长度可以接受140字节的命令，所有命令均以十六进制表示。 PDU结构从SMS到移动终端发起，AT89C52使用单个芯片发送和接收美国信息交换标准代码。通过对设置不同的c52模块集成到g20模块里，接收SMS的本质就是从SIM卡或缓存中读取信息。两者均使用AT命令集中的AT + CMGR和AT + CMGL命令完成。第一步，需要验证是否可以使用G20模块建立通信网络，然后使用ATE命令集来确认完成。使用AT + CMGF命令选择SMS数据格式。如果获得了G20模块的正确答案，使用AT命令完成读取功能。通常，使用AT + CMGR读取实时数据以启动G20模块与接收SMS相同。发送时，必须首先在AT89C52和G20模块之间建立连接，以便转发初始化命令并设置PDU模式命令发送短信内容。该系统的无线数据传输模块使用了基于G20模块的移动GPRS通信单元，可以将其配置为连接到GPRS网络。GPRS无线通信网络是基于GSM网络扩展和优化的，它已经从GSM电路交换发展到分组交换。这与TCP / IP协议完全兼容。最大理论网络速率可以达到171 kbps。 GPRS网络非常适合无线传输少量数据和瞬态环境数据。基于GPRS远程通信单元该通信单元的主程序是在操作开始后完成系统启动，该系统的波特率为9600 bps，包括固定T1的工作模式2，固定T1的工作模式1和串行端口的工作模式1。 等待，然后将INT0外部中断设置为边沿触发模式。然后收集数据并循环八个通道。每组应收集10组数据，在外部中断INT0每组收集10次后进行中断。最后对数据进行平均过滤的处理，处理过的数据存储在发送缓冲区中，处理数字输入和输出处理，并在数据缓冲区中等待其数字状态。最后，整个数据传输会及时中断，正常收集的数据和交换状态设置为每半小时发送一次。通信模块程序设计流程图程序代码：结论本次设计使用温度和湿度传感器收集，处理，分析环境温度和湿度并将其传输到通信模块，然后将通过远程通信模块获取的温度和湿度数据传输到终端，以实现远程检测和管理。 该系统具有成本低，功耗低，时延短，效率高，网络容量大的特点。它还解决了传统的电缆传输方法，该方法不仅成本高昂，而且相对复杂，而且还可以解决这种情况下的许多电缆传输问题，例如大量系统设备的配置，远程维护和升级。基于物联网的温度和湿度监控系统比传统设备更稳定，更可靠，并且可以准确地收集，传输，处理和监控温度和湿度数据。 通过对温湿度的测量控制极大地提高了工作的效率，降低了人们的工作强度，具有一定的经济效益。参考文献1 何蕴良，耿淑琴，汪金辉.基于ZigBee无线传感的空气温湿度监测系统设计J. 现代电子技术. 20152 徐健，杨珊珊.基于CC2530的ZigBee协调器节点设计J.3 刘云浩. 物联网导论J.北京:科学出版社, 2011年3月4 石志国,王志良,丁大伟.物联网技术与应用J.北京:清华大学出版社, 2012年8月5 黎连业，郭春芳，向东明.无线网络及其应用技术M.北京:清华大学出版社，20056 周武斌.Zigbee无线组网技术的研究D.长沙：中南大学.20097 胡永利，孙艳丰，尹宝才.物联网信息感知与交互技术J8 基于Zigbee的温度湿度监测系统的研究D. 李艳华.山东师范大学 2013致谢书山有径勤为路，学海无涯苦作舟。这次的毕业论文中，发挥了我在学校学到的文化知识和技能，也算是大学里最后一份作业。在校的四年时间非常感谢老师们的敦敦教诲，是你们教会我勤奋学习，诚实做人，踏实做事，以宽容的心接待生活。特别要感谢我的指导老师，李华颂老师一丝不苟严谨认真的工作作风一向是我学习的榜样，循循善诱的教导和不拘一格的思路给予了我无限的启迪，同时给我带来了巨大的帮助。感谢我的家人，你们是我永远的支持者，正是在你们的殷切目光下，我才一步步完成求学生涯，没有你们就没有今天的我。感谢你们对我的理解和支持。当自己终于可以从找工作、毕业论文的压力中解脱出来，长长的吁出一口气时，我才忽然意识到，时光飞逝，四年的时光转眼已经过去，是时候该告别了。一念至此，心中不免有些惆怅。可是惆怅过后总要说点什么。大学四年，生活其实很简单，是不过是读书考试的周而复始。如果把这种单调的生活看作一场场演出，那么我只是个安静的演员。这篇毕业论文称不上什么精彩的台词，只不过是这段演出的谢幕词，而在这谢幕的时候，再次感激那些帮助我走上舞台的人儿。附录温湿度数据采集程序和无线通信代码：33
