基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監測系統

二、需求分析

2.1 功能要求

本系統主要包括信息采集節點(diǎn)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、上位機控制程序等三大部分組成。

信息采集節點(diǎn)包括位移傳感器或光柵尺、加速度傳感器、超聲波測距傳感器或者激光測距儀等傳感器件來(lái)采集樓宇的變形沉降信息，通過(guò)CC2530無(wú)線(xiàn)傳輸模塊將這些信息轉發(fā)到嵌入式網(wǎng)關(guān)，視功能需要也可以添加GPS模塊，結合各種傳感器實(shí)現樓宇變形沉降的精準監測。每個(gè)樓宇可設置多個(gè)基準點(diǎn)，每個(gè)基準點(diǎn)配置一個(gè)信息采集模塊，多方位采集樓宇群各處得變形沉降信息。信息采集節點(diǎn)可以采用電池供電，系統的低功耗特性滿(mǎn)足工作時(shí)間也可以長(cháng)達半年，視后期完善程度可以采用太陽(yáng)能電池板供電，可以充分體現環(huán)保環(huán)保意識，當然前期調試可以采用220V電源降壓供電模式。

嵌入式網(wǎng)關(guān)主控制板采用貴公司提供的EVK1100開(kāi)發(fā)平臺，嵌入式網(wǎng)關(guān)匯總各信息采集節點(diǎn)上報的數據信息，然后經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)口上報到上位機，視功能需要也可以添加GPRS遠程無(wú)線(xiàn)傳輸模塊。嵌入式網(wǎng)關(guān)主控制板具備各種外設接口，可實(shí)現數據的即時(shí)顯示和用戶(hù)手動(dòng)控制，并可擴展外接各種需要的功能模塊。嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊可采用電池供電，或者太陽(yáng)能電池板供電，或者220V常用電源降壓供電。

上位機控制程序配備后臺數據庫，存儲一定時(shí)間內的各樓宇的變形沉降信息，經(jīng)程序分析處理后繪制成人性化的曲線(xiàn)展現給用戶(hù)，當然用戶(hù)也可發(fā)送命令隨時(shí)查看樓宇某時(shí)間的變形沉降情況。上位機控制程序可通過(guò)計算機的串口對直連的嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行控制，也可以通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )TCP的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議對遠程嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行控制。

除以上主要功能外，信息采集節點(diǎn)和嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊，均采用優(yōu)化的電路設計和先進(jìn)的控制策略設計，均配置有電源穩壓電路、電流電壓保護電路、光耦隔離、信號放大等模塊，以保證系統的整體可靠性和穩定性?？紤]到環(huán)保低功耗，各模塊初始配置為每隔間斷時(shí)間上報各自的數據信息，其他時(shí)間工作在睡眠模式以降低系統功耗，需要傳輸數據時(shí)喚醒各自的CPU進(jìn)入工作模式。各功能模塊可方便組合實(shí)現低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自適應、可擴展的整個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監測系統，系統整體架構如圖1，系統網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖2所示。

圖1 系統整體架構圖

圖2系統網(wǎng)絡(luò )拓撲結構圖

2.2 性能要求

系統整體性能要求實(shí)現低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自適應、可擴展等基本要求，方便以后進(jìn)一步完善開(kāi)發(fā)，并憑借各種優(yōu)越特性以利于實(shí)際的市場(chǎng)推廣應用。

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

嵌入式網(wǎng)關(guān)控制模塊硬件結構如圖3，信息采集節點(diǎn)模塊硬件結構如圖4所示。

圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)控制節點(diǎn)硬件結構圖

圖4 信息采集節點(diǎn)模塊硬件結構圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件平臺選用組委會(huì )提供的EVK1100開(kāi)發(fā)板，EVK1100開(kāi)發(fā)板是一個(gè)基于A(yíng)VR32 AT32UC3A單片機控制器的評估套件和開(kāi)發(fā)系統。UC3A系列基于愛(ài)特梅爾的AVR 32 UC內核，配有512KB的閃存、一個(gè)內置10/100以太網(wǎng)媒體接入控制器(MAC)、一個(gè)具有OTG(on-the-go)功能的全速(12Mbps) USB 2.0接口，以及一個(gè)SRAM/SDRAM外部總線(xiàn)接口。是Atmel宣布推出的業(yè)界最低功耗的32位閃存微控制器系列。

主控制器芯片AT32UC3A0512能夠以66MHz的速率提供80 Dhrystone MIPS(DMIPS)的性能，而在3.3伏電壓下的電流僅為40毫安。此外，其功耗低至1.65mW/DMIPS，只是具備相同功能的其它架構的1/4，表現遠遠優(yōu)于對手。這款新的微控制器專(zhuān)為聯(lián)網(wǎng)和以個(gè)人電腦為中心的嵌入式應用產(chǎn)品而開(kāi)發(fā)，尤其適合于便攜式設備。

AVR32 UC內核采用了三級管線(xiàn)型Harvard架構，該架構主要為優(yōu)化片上閃存的指令存取而設計。此外，它也是業(yè)內首個(gè)讓單周期讀寫(xiě)SRAM繞過(guò)系統總線(xiàn)而直接與CPU介接的內核，從而實(shí)現更快的執行速度和周期決定過(guò)程，以及更低的功耗。AVR32 UC內核與其前身AVR32 AP共享相同的指令集架構(ISA)，其中有220多條無(wú)方式指令 (modeless instruction) 可作為16位壓縮指令和32位擴展指令使用。該ISA架構擁有獨立位(atomic bit)的處理功能，可控制片上外圍設備和通用輸入輸出(IO) ，以及定點(diǎn)DSP計算，如單循環(huán)小數飽和乘法及累積算法。另外，該內核還含有一個(gè)事件處理系統，可以支持優(yōu)先中斷、不可屏蔽中斷及內部異常等事件，其中斷反應時(shí)間最長(cháng)為16個(gè)時(shí)鐘周期。

AVR32 UC3A系列集成了許多與愛(ài)特梅爾 ARM 微控制器相同的外圍設備，包括外圍DMA控制器、多層高速總線(xiàn)架構、10位模數轉換器 (ADC)、2個(gè)串行外圍接口(SPI)、同步串行接口 (SSC)、雙線(xiàn)接口 (I2C兼容)、4個(gè)通用異步收發(fā)器 (UART)、3個(gè)通用計時(shí)器、7個(gè)脈寬調制器以及一整套監控功能。

10/100Mbps IEEE 802.3 標準以太網(wǎng) (MAC) 能讓開(kāi)發(fā)人員設計出可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議堆進(jìn)行通信的聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統。USB 2.0全速 (12Mbps) 接口提供了利用各種 USB 級別接口 (例如針對串行數據通信的人機接口設備；或針對更大規模數據傳輸的大容量存儲器) 與現今的 PC 架構通信的方法。由于UC3A USB外設的OTG功能提供對USB閃存盤(pán)、指針設備或打印機等標準USB設備的支持，因此讓以PC為中心的計算環(huán)境得以進(jìn)一步集成。

外部總線(xiàn)接口(EBI) 將可尋址(addressable)的物理存儲器擴大到16MB。其非復用的16位數據總線(xiàn)能夠與高密度的外部SRAM、SDRAM、ROM、閃存器件以及如LCD或FPGA等存儲映像器件連接。

UC3A系列微控制器擁有一個(gè)6層高速總線(xiàn)矩陣，該結構使總線(xiàn)主外設能夠以66MHz每秒264MB的最高速度同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)任何總線(xiàn)從設備。這些總線(xiàn)主控設備（master）包括AVR32 UC核數據和指令接口、15信道外圍DMA控制器，以及幾種高速外圍設備，如以太網(wǎng)MAC和USB?？偩€(xiàn)從設備(slave)則為片上SRAM和閃存、USB、2個(gè)外圍總線(xiàn)橋，以及外部總線(xiàn)接口。