物联网远距离温湿度监测系统设计与实现毕业论文.docx
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物联网远距离温湿度监测系统设计与实现毕业论文
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本科毕业设计（论文）
题目物联网远距离温湿度监测系统设计与实现
学生姓名冯章成
指导教师王磊
学院信息技术学院
专业计算机科学与技术专业
完成日期2014年12月21日
教务处制
上海建桥学院毕业设计（论文）学术诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
上海建桥学院毕业设计（论文）版权使用授权书
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本人授权上海建桥学院可以将本毕业设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业设计（论文）。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本论文属于
不保密□。
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作者签名：
指导教师签名：
日期：
年月日日期：
年月日
物联网远距离温湿度监测系统设计与实现
摘要
温湿度监测系统在医疗、航天、工业和农业方面都起着不可代替的功能，尤其在工业生产中如果检测得不准确就会发生许多的生产事故。
传统的温湿度检测计的刻度间隔通常都很密，不容易准确分辨，读数困难，而且他们的热容量还比较大，达到热平衡所需的时间较长，并且很难读准，使用非常不方便。
因此为了给现代人工作、科研、生活提供更好的更方便的设施，对现有的温湿度控制器的设计、改良有着很大的现实意义。
物联网远距离温湿度监测系统是基于物联网技术的基础上解决在无人监控的条件下对需要空气环境高精度要求而被设计出来的系统，通过连入网络在线实时的监测远处环境的温度与湿度，了解当地的气候，从而解决需要的问题。
本文基于物联网技术的运用，从技术基础、方案选择、构建方法等方面对设计出一套远距离温湿度监测系统进行了分析，在此基础上通过协议进行上位机与温湿度采集开发板进行通信，并通过相应的上位机软件代码实现实施监测当地气候，以曲线的方式反馈给需求者。
在此基础上更能通过数据库技术查询历史记录。
最后文章对物联网远距离温湿度监测系统实现过程中的一些实践经验进行了总结和讨论。
关键词：
物联网；远距离；温湿度
ThedesignandRealizationofmonitoringsystemoftemperatureandhumidityremoteInternetofthings
Abstract
Temperatureandhumiditymonitoringsystemplaysanirreplaceablefunctioninthemedical,aerospace,industrialandagriculture,especiallyintheindustrialproductionifthedetectionofinaccuratewillhappenmanyproductionaccidents.Scaleintervaloftemperatureandhumiditydetectiontraditionplanareusuallyveryclose,noteasytoaccuratelydistinguish,readingdifficulties,andtheirheatcapacityisrelativelylarge,thetimerequiredforachievingthermalbalanceislonger,anditisverydifficulttoread,itisnotconvenienttouse.Therefore,inordertogivemodernwork,scientificresearch,lifetoprovidebetterfacilitiesandmoreconvenient,isofgreatpracticalsignificancetodesign,temperatureandhumiditycontrollerexistingimprovement.
NetworkingmonitoringsystemoftemperatureandhumiditydistanceisbasedonInternetofthingstechnologytosolvethesystemneedairenvironmentwithhighaccuracyrequirementsdesignedtoinunmannedconditionbasedonconnectedintothenetwork,theonlinereal-timemonitoringremoteenvironmenttemperatureandhumidity,understandingtheclimate,soastosolvetheproblemsinneedof.
Inthispaper,basedontheuseoftheInternetofthingstechnology,fromtechnologybase,schemeselection,constructionmethodandotheraspectshascarriedontheanalysistodesignasetofremotemonitoringsystemoftemperatureandhumidity,onthisbasisbyagreementtocarryoutcommunicationwiththetemperatureandhumiditydataacquisitiondevelopmentboardofPC,andthroughthecorrespondingPCsoftwarecodeimplementationofmonitoringthelocalclimatebytheway,feedbacktothedemandcurve.Onthebasisofmorethroughthedatabasequerytechnologyhistory.SomeexperienceoftheInternetofthings,temperatureandhumiditymonitoringsystemoflongdistanceintheprocessofrealizationaresummarizedanddiscussed.
KeyWords：
Internetofthings，remote，temperatureandhumidityremote
目录
摘要I
AbstractII
引言1
1设计前期调查2
1.1课题背景和意义2
1.2国内外发展状况3
1.3需求分析3
2系统硬件设备5
2.1温湿度监测系统硬件设计框图5
2.2嵌入式处理器5
2.3温湿度传感器5
2.4传输模块6
3系统硬件电路及驱动分析7
3.1电源电路7
3.2开发板芯片7
3.2.1芯片电路7
3.2.2芯片驱动流程8
3.3传感器电路9
3.3.1温湿度传感器原理图9
3.3.2温湿度传感器时序图10
3.4RS485总线11
4系统软件设计13
4.1通信模块13
4.2数据库模块14
4.3绘图和显示模块15
4.4终端选择模块16
5成果展示和设计体会17
5.1系统流程和成果展示17
5.2设计体会18
结论19
参考文献20
附录21
引言
物联网是新一代的信息技术，是物与物互联的网络，英文名是“TheInternetofthings”。
通过各种信息传感设备，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。
其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。
[1]
本课题来源于某科学园区对于仓库物品管理系统设计中的温湿度监测模块。
随着社会经济、人们生活水平以及信息技术的发展变化,人们对生活、生产环境的安全性提出了更高的要求。
同时越来越多的人要求能够实时地对他们要求的目标环境进行监控与掌握很显然我们这些需要的改变需要新的技术来支持，而物联网技术正是解决这一问题的正确选择。
本课题的主要目的和意义是了解物联网技术的含义和应用领域，将物联网物物相连的理论运用到远距离温湿度监测系统上，从而实现无人环境下的实时监测功能。
针对于基于物联网技术的远距离温湿度监测系统的研究方法，主要从硬件和上位机软件两个角度进行着手。
硬件完成的功能是实时采集本地的温湿度，将数据传送至上位机；上位机软件方面则是根据开发板传输的数据进行处理，并反馈给用户。
两者之间的通信是基于485总线传输的。
本论文的第一章是对本课题研究的背景意义和国内外对本课题发展的状况进行阐述，并且根据课题进行用户需求的分析给出相应的解决方案；第二章则是对温湿度监测系统的硬件部分进行介绍和相应参数分析；第三章则是针对硬件进行相应原理图的分析和驱动代码的解释；第四章具体针对上位机软件的功能介绍和编写流程；第五章则是成果展示和设计体会。
1设计前期调查
物联网这一概念最早由1991年美国麻省理工学院的KevinAsh-ton教授提出。
随着科技的不断进步，网络对于我们人类有着举足轻重的位置。
我们每天日常生活的安排都离不开网络，如开会，上课，工程监控、聊天等。
可是IPv4的地址只有32位，且有些地址被公司注册，或者是私有地址和广播地址而不能使用，无法满足与PC机日渐增长的使用。
因此IPv6的理念就出现了。
但是就算每台PC机都可以分配到1个IP地址，还是有很多的地址浪费，于是在2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布《ITU互联网报告2005：
物联网》，提出“万物皆可通过网络互联”，阐明了物联网的基本含义：
物联网就是通过射频识别（RFID+互联网）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
1.1课题背景和意义
在现代社会中，我们日常生活都离不开吃住穿行。
而吃放在第一位是因为食物是我们生活的必需品，没有食物人们就无法生存下去。
尤其是农作物是一日三餐的主食，以往农作物的生长都是靠农民们不断地辛苦和辛勤的人工耕作加上适合农作物生长的气候才能够成熟结果。
随着科技的进步，机械化流水线生产已是众所周知的代名词。
当然农作物的生产也与时俱进。
采用工业化的控制使得农民离开锄头，将农作物放入人工的温室中生长[2]。
既可以减少劳动量，也不必因天灾导致收成不佳而担心。
但是农作物生长对于温度和湿度都有着非常高的要求。
于是温湿度的实时监测室不可或缺的。
除此之外，对于加工完成后的食物为了使它们能够长时间的保存，仓库存储管理同样也需要相应的温湿度监测。
因此，建立实时的温湿度监测系统，保存完整的历史温度数据都已经进入了行业规范。
传统的温湿度监测都是通过相应的温湿度传感器通过杂乱的布线与计算机相连，在距离相对较近的机房内人工或者是半人工进行监控，无论是从效率还是从人力资源的角度来看，都是非常低，而且当时传感器的精度和计算机CPU运算浮点数的精度都比较低，对于温度和湿度监测的精确度不高、管理方法容易出现监控和管理脱节现象，延误时机，导致异常事件处理不善，然而食物储存和农作物生长对于温度和湿度都是非常敏感的，一不小心就会造成巨大的损失。
基于上述技术上的不足和缺陷，本课题就是为了解决远距离无人环境下实时对温湿度进行精确的监测，设计出一套管理高效、操作简便的温湿度智能监测系统，该系统能够对各种环境的温湿度实行信息化、集中化的数据管理，具有体系合理、功能完备、流程优化、监测科学的特点。
1.2国内外发展状况
国外的温湿度监测技术主要运用在工厂控温，电子仪表，医疗设备等领域，其先进的技术使得为人民带来了许多的方便。
目前只有法国一家对外销售湿敏电容，其精度相较于其他国家更为精确。
我国的中科院在10年前就启动了传感器研究，中科院上海微系统与信息技术研究所、南京航空航天大学、西北工业大学等科研单位，目前正在加紧研发温湿度监测技术。
在其技术、政府和市场相较于国外有明显优势，但因缺乏统筹规划、核心技术缺位、规模化应用不足，产业链不完整导致在我国市场上出现了瓶颈。
1.3需求分析
本设计主要针对大型工厂的仓库物品管理、大型农场温室培植农作物以及对温湿度要求精密的机房。
传统的水银型温度监测在精度方面远远低于实际需求的工控，且由于水银的比热容为0.14×10^3J/（kg·℃），相对较低，无法实时反映当地的气候变化。
因此本课题将根据大型工厂、农村和机房的具体需求来设计出一套较为完善的温湿度监测系统。
由于上述所提的地点空间较为宽阔，实际采集温湿度的地点离管理员所在的监视地点相距至少在百米之上。
因此在选择传输介质的问题上本课题选择485总线。
精度方面无论是仓库物品还是农村培植农作物，它们对温湿度的要求十分高。
如果精度过低，将会导致农作物无法正常培植，仓库的物品也会变质。
国内的温湿度传感器的精度：
温度为±0.5度，湿度为±3%RH；与之相比国外的精度远远超过国内，所以本设计选用国外的土壤型温湿度传感器为温湿度采集点。
大型企业对温湿度的监测不仅仅只是一对一，通常都是采用多节点同时监测，为此本设计需要对多个节点定义设备地址，从而能够同时对每个节点的采集频率和处理。
根据以上所调查的信息，本设计在硬件发面需要采购表1中的内容：
表1硬件开发板上的元器件清单列表
名称
品牌型号
数量
小计
温湿度传感器
SHT10FND
1
29.5
开发板芯片
ATMEGA48PA-AU
1
3.0
若干元器件
电容电阻二极管
若干
10
232转485接口
WM-101
1
15.0
电源适配器
12V5A
1
15.0
若干连接线
若干
3.0
焊锡丝和助焊剂
1
30
合计
105.5
在上位机软件编写方面，由于需要对实时的数据进行显示和处理，对于上位机CPU和内存最低要在现代家庭台式机的配置之上。
本设计上位机的CPU为i5-2410、内存为4G足以处理所需要的数据；目前流行的开发语言是C、C++、JAVA和php编程，而传统的工程是用VB来编写。
为了适用于更多地企业和工程，本设计采用C++语言，利用其面向对象的思想来编写程序；开发环境为VC++6.0。
准备好以上方案，即可着手于设计基于物联网技术的远距离温湿度监测系统。
2系统硬件设备
2.1温湿度监测系统硬件设计框图
根据需求分析的方案，该系统分为两个部分：
数据采集发送部分（众多子节点）、数据处理部分。
数据采集部分包括温湿度传感器、嵌入式处理器、发送部分。
数据处理部分包括数据接收部分、嵌入式处理器。
各个子节点传感器采集环境数据经处理器处理后由温湿度传感器的SCK和SDL把环境数据发送出去，在于处理器连接到485芯片上后将环境数据显示发送到上位机上进行处理。
2.2嵌入式处理器
嵌入式处理器是针对于某一特定功能的信息处理而被设计出来的，它并不需要想普通计算机的CPU那样处理多种进程和线程。
在选型的时候只要考虑是否能将温湿度传感器的数据通过发送模块与上位机进行通信即可。
制作嵌入式处理器的大型厂家有很多，如ATMEL、TI、SAMSUNG等，TI公司MSP430系列微控制器是超低功耗、16位RISC混合信号处理器，该系列芯片专为低功耗应用而精心设计，很适合用于长时间电池供电的场合。
[3]本设计中嵌入式处理器完成的功能相较而言比较轻巧，对处理器的性能不是要求很高，只要能够将开发板驱动即可。
这里ATMEGA48PA无疑是一款比较出色的选择。
这款处理器与传统的51单片机编程相容。
它的集体参数如下：
（1） 基于MCS-518位单片机寻址指令
（2） 频率在晶振的辅助下为8MHZ
（3） 拥有256B的EEPROM，512B的片内SRAM以及4KB的用于系统内可编程的FLASH
（4） 两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器
（5） 8路10位ADC
这些性能足以完成数据通信的功能。
除此之外，它采用贴片式接触，占用体积小，且价格便宜，只需3-5元就可买到。
2.3温湿度传感器
传感器网络是由部署在监测区域内大量体积小、成本低，具备感知信息、数据处理、通信能力的微型传感器节点组成[4]。
以往的传感器实时监测到的温湿度数据皆为模拟数据，若想通过开发板得到精确的数字型数据，只有通过采样，量化和编码才能够使管理者得到相对较为准确的数字。
以下温湿度精度的参数Thehumiditysensorcanreachasensitivityof0.83pF%RH−1andthetemperaturesensorexhibitsasensitivityof2.94×10−3°C−1。
[5]开发板上具有ADC转换，即进行模数转换的功能，通过公式计算出温湿度的值。
这种方法降低了温湿度监测系统最重要的准确性，因此本设计采用的是现代数字型的传感器，直接在将数据传输给上位机前先进行了转换，通过协议直接发送数字型数据，大大减少了先前的工具型缺陷。
温湿度传感器的选择是整个设计是否成功的关键所在。
智能温度传感器内部包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、寄存器和接口电路。
有的还带有CPU和内存。
它能输出温度和相关控制量。
并且可通过软件实现测试功能，温度计也越来越智能化。
湿度传感器产品及湿度测量在20世纪90年代兴起的行业，主要分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感敏模。
目前市场上主流的温湿度传感器型号为SHT1X、dht11、AHT1X等。
本设计选用的型号为SHT10FND[6]，属于土壤型温湿度传感器，产地为法国，在温度和湿度的精度上两者皆可达到0.1，相较于之前的温湿度传感器在精度上有了大幅的提升；在体积方面，与开发板的芯片大小相近，只要焊接成功，露点就会采集环境的变化；价格也贴切与市民，一般在25-30元之间。
2.4传输模块
本设计为了能够进行上位机与采集温湿度开发板进行通信，必须在开发板上焊接一个通信模块。
通行模块又分为有线和无线两种类型。
有线通信模块为传统的RS232、RS3232和RS485。
前二者的电平驱动的高低与后者不同，逻辑1（MARK）=-3V～-15V，逻辑0（SPACE）=+3～+15V；RS-485总线传输采用平衡发送和差分接收的方式，因此它具有抑制共模干扰的能力。
而且总线收发器具有很高的灵敏度，能检测低至200mV的电压，所以传输信号能在千米以外得到恢复。
即使485总线采用半双工模式传输数据，数据传输速率最高可达10Mb/s（小于40m）。
总线上差分电压大于0.2V表示逻辑“0”，差分电压小于-0.2V表示逻辑“1”，这样就有效克服了共膜干扰、同时也抑制了线路噪声，传输距离可长达1.2千米[7-8]。
无线传输模块则以zigbee为代表。
zigbee模块无疑是一个解决方法。
它的功率消耗米。
由于无线发送模块需要不断发射信号，而zigbee处于2.4GHz，近乎微波特性，隔了一个墙壁，信号会大量衰竭，传输距离叫有线的485短了许多。
本设计采用RS485作为传输模块。
3系统硬件电路及驱动分析
3.1电源电路
电源电路是驱动整个温湿度采集开发板的心脏，动力的来源。
只有将分析电源电路研究彻底，才能够进行开发板芯片的端口设置和系统初始化工作，完成环境实时采集的功能。
本设计采用的稳压电源芯片信号为7805，具体电路原理图如图1所示：
图17805稳压芯片电路图
由图1可知该电路输入电压为12V，经过一个IN4007的二极管进行整流，通过稳压芯片后输出电压电源为5V电压，换言之开发板内的元器件驱动需要5V电压输出，而一般RS485总线上的VCC与RS232相互转化也只能是5V供电，达不到12V的工作电压，因此本设计还需还接一个12V1.5A的电源适配器，才能完成测试。
3.2开发板芯片
3.2.1芯片电路
为了能使开发板实现实时采集，对开发板芯片的引脚和端口功能必须了如指掌。
ATMEGA48PA的具体电路原理图如图2所示：
图2ATMEGA48PA原理图
由图2看出该芯片一共有32个引脚接触。
除了芯片外，还外接时钟电路和复位电路。
时钟电路连接这芯片的PB6和PB7两个引脚。
该电路有两个贴片电容和一个提供外部时钟的晶振组成。
图2可知该晶振提供的时钟频率为8MHZ，能够完全应对每秒所采集的数据处理；电容则使用20PF。
复位电路采用上拉型，接一个10^4的贴片电容来分压。
除此之外，是标准的GPIO引脚、两个ADC转化以及测量电压的引脚。
本设计主要使用的是网络编号为SDA、SCL、RXD、TXD。
其中前两者与温湿度传感器相连接；后两者则是与485传输模块的发送和接受相连。
ERR和RUN则是对应开发板的两个发光二极管。
前者是每秒采集到温湿度的反馈；后者为判断开发板是否正常运行。
3.2.2芯片驱动流程
在芯片驱动代码的编程上，一般分为4步。
首先就是禁用看门狗。
看门狗定时器由独立的128kHz片内振荡器驱动。
通过设置看门狗定时器的预分频器可以调节看门狗复位的时间间隔，如果没有及时复位定时器，一旦时间超过复位周期，ATmega48PA就复位，并执行复位向量指向的程序。
为了使系统正常执行时不产生中断异常，所以要禁用看门狗。
随后设置时钟频率。
本设计采用外部晶振频率，因此在代码编写上选择外部预分频，使能相应寄存器即可。
以上为系统初始化的编写。
接着第3步则是驱动先前提到的网络标号对应的端口。
通过数据手册找到相应的端口，首先用与运算将端口对应位清空，然后再将该位置“1”，这样做是为了与传统51单片机兼容。
最后就是设置中断和中断处理函数。
首先将定时器设置1000ms为溢出时间，超过它既发生中断，保存发送中断现场，程序入口进入中断向量表（采用栈的方法保存），找到对应的入口，进行中断处理，完成后恢复现场。
整个芯片驱动代码如代码片段1下：
/*MCUSR中的WDRF清零*/
MCUSR=0x00
/*置位WDCE与WDE*/
WDTCSR=（1</*关闭WDT*/
WDTCSR=0x00;
CSCLK=C
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