河南22选5近30期开奖结: 微環境檢測平臺通信協議的計算機設計與實現

來源: 今天河南22选5开奖号 作者:vicky 發布時間:2019-06-04 論文字數:33632字
論文編號: sb2019051611335126252 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是一篇計算機論文,本文從軟硬件兩方面進行設計并開發了通用的微環境監測儀。通過各個硬件組件部分的選型和設計、統一的通信協議設計以及異構信息感知中間件的設計,該儀器能夠以
本文是一篇計算機論文,本文研究工作為微環境監測平臺提供的統一的數據采集設備,統一的通信協議,統一的數據表達和傳輸方案是穩定可行,能夠將多來源、多種類、多類型的海量數據及時、準確、有效、安全的整合上傳??賞ü徊繳逗屯晟剖溝酶梅槳感緯刪哂惺滌瞇緣奈⒒肪臣嗖餛教?,具有良好的應用前景。

第1章   緒論

1.1   研究背景與意義
無線傳感網絡(Wireless Sensor Network WSN)是由很多的智能終端組成的計算機網絡,采集網絡覆蓋的自然環境區域內監測對象的信息,能夠實現信息感知、傳輸、處理等功能,然后把信息發送給用戶,以便進行處理和分析[1]。關于無線傳感器網絡的應用設想,最早是關于軍用方面的,目的是利用該技術實現戰爭的數字化和信息化。美國軍方針對不同的戰爭場景,研制多款無線連接裝備,并快速裝備部隊。利用 WSN 中的節點,通過信息感知迅速探測和識別敵方目標并實施精確打擊,并且實時掌握火力打擊后目標的毀傷情況,為戰場指揮員提供最及時的戰場報告,為制定下一步作戰計劃提供可靠及時的數據支撐,對現代信息化戰爭產生深遠的影響。最早的傳感器網絡應用于實戰是美軍對越戰爭中,美軍通過采用“熱帶樹”傳感器,成功遏制了北越的后勤補給,但是由于當時節點之間不無法進行信息共享,因此還算不上是真正意義上的傳感網絡。80 年代后,美國軍方開始與各個大學緊密合作,進行 WSN 的研究工作,目的是將無線感知技術引入戰場環境監測中,這段時間在軟硬件的標準化與產品化等方向有了重大進展。
近年來由于各種無線技術的發展和進步,WSN 技術的發展和成熟使得很多無線感知設備被研發出來,并在民用領域得到快速應用和普及,針對種類繁多的新型業務應用的想法和物聯網平臺相繼出現,使得人們的生產和生活方式有了很大的改變?;諼尷嘰型緄奈锪教?,通過監測并感知限定區域范圍的環境數據,能夠為生活生產提供輔助決策,使得國內外各企業和科技人員都很關注,開啟了對無線傳感網與人類生活環境相結合的探索。
本課題研究工作作為河北省重點研發項目《基于語義物聯網的微環境監測平臺關鍵技術研究》中組成部分,是微環境監測平臺的重要支撐。因此,本文提出了一種關于數據采集上報的解決方案,研制一款全天候自動采集設備——微環境監測儀,目前該設備能夠感知空氣中的溫濕度,地表的溫濕度、光照強度和二氧化碳等環境數據;設計數據傳輸通信協議以及上位機實現數據遠程上報,使得整個平臺的上層應用能夠良好穩定的運行?;詒疚墓ぷ魘迪值奈⒒肪臣嗖餛教?,可提供自動采集、可靠傳輸和及時處理,可根據需要快速應用于多種行業監測,礦內環境監測、景區監測等行業。
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1.2   論文組織結構
本論文共分 6 章節,主要研究了微環境監測平臺中關于數據采集和數據傳輸的工作,各章節主要內容如下:
第 1 章   緒論。介紹 WSN 網絡的基礎知識及其在各種行業場景監測中的廣泛應用,分析目前國內外 WSN 網絡和環境監測的狀況。面對目前各物聯網系統存在的問題,提出搭建微環境監測平臺。
第 2 章   微環境監測平臺。主要是通過需求分析開發微環境監測平臺的必要性以及平臺需要考慮的關鍵問題;然后介紹整個平臺的三層體系結構,及其各部分的功能以及最終實現的目標;最后舉例說明該平臺可應用的監測領域。
第 3 章   微環境監測儀。針對設計采集任務,從軟硬件兩方面分析,最終形成發環境監測儀器,儀器主要包含電源???、傳感器???、Lo Ra(Long Rang)無線通信??橐約?STC89C52RC 最小系統等硬件部分以及異構信息感知中間件軟件部分,通過軟硬件設計實現的微環境監測儀,能夠同時采集上報多種數據,能夠低功耗運行。
第 4 章   數據傳輸通信協議設計方案。介紹了從信息感知到上報的整套數據傳輸過程,進行傳感層通信協議設計;設計節點與網關通信流程;開發上位機以及實現其與網關間的數據傳輸工作;完成網絡層傳輸協議設計。為微環境監測平臺提供實時、可行、穩定的數據上報方案。
第 5 章   數據傳輸方案模型搭建。根據前文數據傳輸方案,設計小型的簡單星型網絡,在校園實現信息收集場景,利用網關維持、把控整個網絡的運作,實現數據真實的采集過程。
第 6 章   實驗與結果分析。通過搭建的數據采集、傳輸原型系統驗證微環境監測儀、通信協議、通信流程以及通訊方案等設計的合理性。
結論 總結課題所做工作,指出本文工作的可取之處以及平臺尚且存在的問題,給出下一步研究工作的方向。
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第2章   微環境監測平臺

2.1   微環境監測平臺需求分析
微環境監測指的是通過在限定地點范圍,布置多種傳感器節點,采集環境相關數據,通過對多個微小環境進行信息感知,最終能夠得到整體區域的環境數據,為生活提供輔助決策。
隨著近幾年物聯網的快速發展,在各個行業業務范圍內都能夠見到 WSN 的影子。針對各個環境場景監測的物聯網平臺陸續出現,但是現存物聯網平臺在各個行業中進行使用時,都要構建傳感層和網絡層,導致大量重復工作,增加了成本。并且單獨針對各個場景的物聯網系統[7],都有著自己獨立的信息收集、上報和存儲方案,造成了各行業間數據交流不順暢,以至于無法綜合數據得出更為詳細的分析,無法為使用者提供高水平的服務。為了完成對微小環境信息感知需求,收集各行業數據,解決各行業間數據孤島問題,考量以往物聯網系統在信息感知和上報過程中的難處,提出實現一款微環境監測平臺。微環境監測平臺統一設計傳感層和傳輸層業務流程,用戶可將工作重心放在應用層業務應用上。如此一來,企業便不用耗費過多資源進行傳感層和網絡層的搭建工作。由于微環境監測系統將提給各個行業來實現自己的業務,因此相比于之前單獨針對某個行業的物聯網系統,微環境監測系統需要考慮的問題也更多,如終端多樣性、各種格式數據、網絡需求不同、數據上報等難題,此外還要考慮數據的安全性和實時性、海量數據存儲管理、數據分析展示問題等。但在大數據時代背景下,同樣也帶來了其他系統平臺所沒有的優勢。數據中隱藏的信息和知識的價值是很高的,經過跨行業收集、共享、統一挖掘數據,能夠挖掘出更多的、更全面的知識和信息。物聯網行業才剛剛起步,僅有國外少量學者進行研究過,國內的相關研究更少。在此背景下,本文提出搭建這樣一款環境監測系統是有一定意義的[8]。
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2.2   相關技術
微環境監測平臺工作時底層將會收集上報大量數據,并且會因為新用戶和底層采集設備的逐漸增加,實時數據和歷史數據也會大量增加。因此,在采集網絡構建、大數據接收、處理以及存儲問題時,需要考慮使用多種技術進行解決。如下為平臺搭建中用到的幾個關鍵技術:
(1)  無線傳感網   WSN 技術是由多個節點組成,這些節點都帶有傳感器、數據處理??楹屯ㄐ拋榧?。通過自組網的形式形成的一個動態網絡,每個節點都可能由于能源消耗殆盡或其他的外部物理因素影響,隨時退出當前網絡,也可能由于需要而被中途加入網絡,從而造成網絡拓撲結構的變化。為了及時感知數據信息,要放置數以千萬計的感知設備,甚至還多。感知設備中內置各種傳感器,眾多設備一起檢測附近環境中的 CO2、光照、PM2.5 甚至次聲波信號等與環境相關的數據,從而獲取溫度、濕度、酸堿度等很多對我們有意義和價值的信息,因此 WSN 是一個以數據信息為主的網絡,而且不能單一的考慮單個傳感器值,那樣沒有任何意義。WSN中的節點可以利用編號相互區別,因此要保證設備的編號是唯一的。由于傳感器可能是通過無人機隨機散布的,因此節點的編號不能是固定的但要是唯一的,這樣傳感器在退出網后,再加入網的時候編號可能就變了,也就是傳感器的編號和實際的散布位置沒有關系。用戶要查看某個傳感器設備的相關信息或者狀態只需要將指令通過網關發送給整個網絡,網絡在獲得指定指令信息后發送對應的設備,這種利用數據本身作為查詢或者傳輸線索的想法更接近于人與人交流的習慣。
(2)  高并發數據處理接收技術   在微環境監測平臺的設計中,服務端的處理性能是一個很關鍵的評價指標。為提高微環境監測平臺服務端的性能,以防數據不能得到實時處理而造成數據擁堵,降低數據的復制和 IO 操作開銷,本文利用線程池完成任務的處理工作。線程池會將需要處理的業務添加到任務隊列中,接著再開啟線程去處理這些業務。線程池的線程都用規定的堆棧大小,以一定的先后等級順序運行。如果存在空閑的中斷線程,那么線程池將開啟另一個線程來使所有 CPU 保持不停歇狀態,而要是所有線程始終處在工作狀態,隊列中還有任務為處理,則線程池就會開啟額外的線程,但線程的個數始終不會越過設置的闕值[11]。線程池技術能有效減少多線程環境中資源的消耗,可以提高系統的處理能力。因此,為了盡可能的利用系統的資源,消除系統因開啟和銷毀線程而帶來的不必要的資源銷耗,現在的服務器程序中大量應用該技術,這是提高效率的一個主要途徑,另外,其線程數是可以根據自己需求設置的,而且通過優化線程池進一步進可以提升數據接收處理性能[12] 。
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第 3 章  微環境監測儀設計與實現 ······························ 11
3.1   微環境監測儀設計 ························ 11
3.1.1   需求分析 ························ 11
3.1.2   硬件設計 ····················· 12
第 4 章  數據傳輸通信協議設計 ···························· 23
4.1   相關技術 ······························· 23
4.1.1   LoRa 技術簡介································ 23
4.1.2   LoRa 網關通信模式 ·························· 24
第 5 章  數據傳輸方案模型搭建 ····················· 37
5.1   數據傳輸方案模型設計 ···························· 37
5.2   數據傳輸方案模型簡單實現 ························ 38

第 6 章   系統測試與結果分析

6.1   測試環境
本文測試是在搭建的微環境監測平臺原型系統下進行的,原型系統中的設備的具體配置如下:
1)終端采集設備:采用本文開發的微環境監測儀,包含單片機、一系列傳感器、以及 SX1276 無線停下通信??櫚?。
2)Lo Ra 網關與 Lo Ra 通信???,網關與上位機采用 RS485 串口交互環境;
3)上位機環境:上位機操作系統為 Windows  7,PC 的處理器為酷睿 i3-2370,
編程環境為 VS2015;
4)服務器環境:內存 8G 以上,磁盤 40G;WinServer 2008,Tomcat 8.0 服務器;JDK1.8;My Eclipse 10 集成開發環境。
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結論
通過對現代環境監測狀況、物聯網平臺的研究及無線傳感網相關通信組網技術現狀的詳細分析,提出搭建一款微環境監測平臺。對環境監測系統實際需求,本文提出采用新興低功耗廣域網無線通信技術中的 Lo Ra 技術,設計并實現了微環境監測平臺原型系統。該系統能夠以較低功耗進行遠距離通信遠,并且具有抗干擾性強以及高性價比的優點。系統主要分為微環境監測儀、網關兩個部分,本文主要進行微環境監測儀的硬件電路設計以及軟件設計,通過通信協議設計統一數據格式;闡述了基于 LoRa 技術的通信傳輸方案的設計過程。本論文所做的具體工作總結如下:

參考文獻(略)

今天河南22选5开奖号 www.giydh.com 原文地址://www.giydh.com/jsjlw/26252.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

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