基于物联网的温度监控系统.docx

摘要
物联网，简而言之就是连接物品的网络,它是互联网的应用扩展和延伸。

主要是利用各种传感设备和通讯手段，将M2M（即人与人、人与物、物与物）与互联网相连接，实现智能化的识别、定位、跟踪、远程监控和管理的一种网络。

它是整合信息管理技术变革和促进信息产业的开端和基石，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

物联网就是通常我们说的在应用智能化感知、识别技术、普适计算、泛在网络（Ubiquitous Network）的基础上将人与物、人与人、物与物联系起来的一种中介。

在我们平时能够看到并感觉到的世界里，“物”是普遍存在的并不断变化的个体，“物”与“物”之间的联系，必然“联”到“网”中来，这里所说的“物”是感知末梢的传感器设备、接收感知信息的智能终端或者人。

而网关就是我们平时所说的网络层上的协议转换器,它具有高效率、实时响应、高可靠性、低功耗、抗干扰能力强等特点,利用其特点有效的融合了基础通信网与无线传感器网络,这些优势使得传统的智能家居的区域监控发生了翻天覆地的产业变革,即把监控区域中的设备和无线方式有机组合,这样就可以
实现一个能够全面感知与管理的系统。

本文全面介绍了物联网智能网关的总体设计思路以及各个分模块的实现过程，并对整个设计中用到的物联网关键技术ZigBee及其协议栈Z-Stack作了概括介绍，同时对网关的软硬件设计、实现及测试也作了较为清晰明了的介绍与分析。

以设计实现智能家居系统中的近程控制系统为例,根据物联网的原理、概念、应用,设计一个功耗低、成本少的物联网服务网关。

而低成本、低功耗也是该控制系统的重点和难点所在。

本文即是重点论述该网关是怎么实现的、较传统网关有什么优势、该网关的应用意义等方面。

首先要实现互联网的扩展和延伸，即是将基于TCP/IP协议的In ternet与基于ZigBee协议的无线传感器网络相连接。

在硬件设计上,利用高性能的ARM9系列的smart210微处理器作为主控芯片,外接一个网卡PHY芯片，通过串行通信实现与传感网协调器的通信。

接着就是为了实现无线传感网的监控，这就需要利用WEB远程登陆到ARM网关服务器。

在软件方面，为了使程序看起来有层次感，模块化，在代码设计方面力求简单明了。

最后利用嵌入式操作系统Ubuntu实现资源的管理和调度，借助通信协议栈实现TCP/IP与网络的互联。

本文的独特之处在于实现：嵌入式超文本服务器端、近程控制终端与WSN协调器三者数据同步。

应用ZigBee协议栈实现了数据的无线传输，实时监测并显示室内温度与系统IP。

关键词:物联网;服务网关;WSN;ZigBee;嵌入式系统
The design of IOT Smart Gateway Based on Loongson
Abstract：
Just as its name implies，the Internet of things is the connection of network and objects.It is the application extension of the Internet. It connects the M2M ( people and people,people and things, things and things) to the Internet through a variety of sensing equipments and a variety of means of communication, so that realize the intelligent identification, location, tracking and remote monitor ing and management of a network.As a key role of a new generation of IT and new technology revolutio n, it is the beginning and foundation to promote the technological change which includes integration of the information industry and information management .We also call it “the third wave of world inf ormation industry development”.The Internet of things is a kind of mediation to link people with thin gs,people with people,things with things on the basic of application of intelligent perception, recog nition technology and pervasive computing, Ubiquitous Network (Ubiquitous Network) .In the macroscopi c world'' things'' have the nature of ubiquity, diversity and mutability. The ''things'' can be as th
e sensor o
f nerve endings, or the smart terminals or the people.And gateway is a protocol converter b ased on the network layer , It has the ability of high efficiency、real-time response、 high reliabili ty、low power consumption and stron
g anti-interference ability,This makes the better connection of bas ic communication network and the wireless sensor network .It also brings new industry opportunities t o the traditional areas suc
h as smart home monitoring .By this ,we can monitor equipment through wire less way of the area of the organic combination, so as to realize a comprehensive perception and comp lete management system.
In this paper, we discusses the gateway system, the design and implementation of the key technol ogy of Internet of things application, gateway layer and the hardware and software of the system desi gn scheme of home automation systematically.As an example to realize the remote and close range contr ol system of smart home system, starting from the concept of Internet of things, It is the most impor tant and the most difficult of the control system to design a low power consumption, low cost of Inte rnet service gateway .This paper is focus on how the gateway work, what advantages it have than tradi tional gateway, the gateway application significance and so on.The most important step is to realize the expansion and extension of the Internet , that is, the Internet based on TCP/IP protocol will b e connected to wireless sensor network based on ZigBee protocol.On the hardware design, we use ARM9 s eries smart210 microprocessor as the master control chip, external a PHY chip, Then realize the commu nication with sensing network communications coordinator through serial communication. Remote login t o ARM gateway server.Followed by,in order to realize the monitoring of wireless sensor network, which requires using remote login to ARM gateway WEB server.On the designer of software , to increase the system application flexibility,we put forward a hierarchical, modular design thought. Using Ubuntu em bedded operating system for resource management and scheduling and with the help of a communication p rotocol stack ,we realize TCP/IP and network interconnection.
This article is unique in achieving the data synchronization among the embedded Web server-sid e, short-range control terminals the WSN gateway.The system achieved the wireless transmission of dat a based on ZigBee protocol stack, realized the real-time monitoring of indoor temperature and system IP.
Key Words: The Internet of Things; service gateway; Wireless sensor networks ; ZigBee; Embedded system
目录
第一章前言 1
1.1课题研究的背景与意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3论文内容与结构 3
第二章系统总体设计与相关技术分析 5
2.1物联网网关概述 5
2.2系统总体设计方案 6
2.2.1网关设计的基本要求 7
2.2.2网关功能模块的组成 7
2.2.3网关软件总体构架 7
2.4无线传感器网络技术 9
2.4.1无线网络通信协议 9
2.4.2核心支撑技术 11
2.5嵌入式系统 12
2.5.1嵌入式处理器 12
2.5.2 嵌入式 TCP/IP 12
2.6本章小结 13
第三章系统硬件设计 14
3.1物联网服务网关的硬件整体结构 14 3.1.1系统电路设计方案概述 14
3.1.2系统硬件的整体结构框图 14
3.2主控制模块 15
3.2.1 ARM 微控制器 S5PV210 15
3.2.2主控制模块电路设计 17
3.2.3网络接口电路 17
3.2.4串行接口电路 18
3.2.5 USB 接口电路 19
3.3以太网接口模块 19
3.4 WSN协调器接口模块 21
3.5本章小结 22
第四章三个模块的连通性测试 23
4.1 ZigBee内部模块通信实现 23
4.2 ZigBee模块与网关通信实现 30
4.3网关与因特网通信模块实现 36
第五章系统功能测试 41
结论 43
致谢 45
参考文献 46第一章前言
1.1课题研究的背景与意义
目前,物联网技术的发展已成为国家战略议程之一。

为了在未来物联网技术革命中抢占绝大部分市场，部分国家和地区纷纷加大对其资金投入力度。

美国总统奥巴马对物联网技术的发展相当重视，一度与开发绿色能源技术相提并论，并已将其提上国家战略议程。

2009 年世界IT巨头 IBM 公司 CEO彭明盛提出了构建智慧地球的想法，其战略核心就是物联网。

前国务院总理温家宝在2009年首次提出感知中国这么一个概念后，我们也在积极的把握这次难得的机遇，从而使得物联网的发展在我国引起了新一轮的发展高潮。

国家工业和信息化部相关负责人对外也表示出我国物联网的标准体系已基本形成了,同国际的标准化组织也逐渐靠拢，近年提交的部分提案都给予了良好的反馈。

物联网技术早已在各个领域开枝散叶，如环保、交通、家居、农业等。

值得关注的是在一些危险程度比较高的领域，物联网的应用就更体现出其重要的科研价值和实用价值，如铁路及高速公路突发灾害预警、危险区域环境监控、抢险、救灾、防火防盗等。

如图1-1所示：
图1-1 物联网应用示意图
其中,物联网的感知层是物联网发展和应用的基础。

它处于三层架构的最底层，能够实现精确度更高、感知更全面，还可以帮我们解决成本低、功耗小、体积小的问题，主要解决人类世界和物理世界的数据获取问题。

感知层包括两部分，分别是：数据采集和数据短距离传输，此处的短距离传输技术，尤指中低速无线短距离传输技术，如蓝牙、ZigBee等，这类技术传输距离均小于100m，速率低于1M bit/s。

而物联网的网络层,主要负责把感知层感知到的数据无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送。

它在物联网三层架构中是具有最强产业能力、最高标准化程度且最成熟的,而其关键的地方就是如何优化和改进物联网应用的特征,以形成协同感知网络。

物联网发展的好与劣关键取决于其应用层。

它主要对信息处理和人机界面的问题进行一系列处理，并结合物联网技术与行业信息化需求，对感知和传输来的信息进行及时的分析和处理，做出正确的控制和决策，从而实现真正意义上智能化的管理、应用和服务。

1.2国内外研究现状
物联网网关由传感器网络和公共传输网络两部分组成。

对于物联网网关，目前研究的热点问题是传感器网络和网关如何接入公共网络。

当前,世界各国对物联网的研究仍然呈上升之势，美国、欧盟、中国等国家都投入巨额资金在此项研究上。

物联网网关是对异构网络的整合,所以其研究中最重要的一环是实现物联网的应用。

物联网的产生与我们的现实生活息息相关，这就决定其必将在未来的物联网时代迅速抢占制高点。

物联网是实现人类通信的重要枢纽，主要是基于它的以下三个重要功能：
1、具有感知网络接入的能力，即能有效的收集传感器数据；
具有异构网络互相通信的能力，即能完成数据协议之间数据的转换；
3、具有自动监测并可以控制管理的能力，即能自定义网关服务使其智能化。

1.3论文内容与结构
本文着重介绍的是智能网关的结构及其如何实现。

主要包含以下部分：
1、研究传感器与传感网络；
研究嵌入式系统；
研究UDP协议与其他协议的转换；
研究软件设计模式与人机互相通信的模式。

小型家居系统实现应用的方案设计。

本文以嵌入式技术为应用平台,利用Zigbee的无线传感器网络良好性能与优势并借助传统的Internet基础应用技术设计的一个在室内环境下实现温度监测的智能网关。

本文主要工作和研究的主要内容如下:
第一章绪论：主要阐述本课题的国内外研究背景、研究意义及本论文的基本框架。

第二章系统设计与相关技术分析：首先分析物联网网关的功能需求，然后对网关总体框架进行了设计，接着论述了无线网络通信协议并介绍了其支撑技术，最后介绍了嵌入式处理器和相关操作系统。

第三章物联网网关的硬件电路设计：主要介绍主控制器、外围芯片的选择和接口电路的设计。

第四章三个模块的分块调试：主要介绍ZigBee内部通信模块、ZigBee与网关通信模块、网关与因特网通信模
块及各模块的分块调试。

第五章系统性能测试：对三个模块进行整机调试,通过对结果进行分析得出了该设计方案具有一定的科学性、可行性。

第二章系统总体设计与相关技术分析
2.1物联网网关概述
物联网基本网络由感知层、网络层和应用层组成。

感知层以传感器网络为载体，主要用来识别物体和采集相关信息。

网络层主要有传感层网络和互联网、网络管理控制、信息的智能化几部分，它介于感知层和应用层之间，主要职能是将感知层获取的信息进行传递和处理。

物联网体系架构图如图2-1所示：
图2-1 物联网体系架构图
物联网网关处于物联网体系结构中的汇聚层，其两端连接的分别是传感网络和公共传输网络。

当传感设备种类少、数量不多时，直接将其接入公共网络就行。

可是当感知层中传感设备种类和数量比较多时，为了不浪费接入资源，我们只需要将感知层中的设备独立的接入网络就可以实现。

但感知层网络中设备的作用范围是非常有限，这就要求我们必须先将传感器数据先汇聚到统一的设备进行融合处理，然后再把数据打包发送到网络层。

这样就在现有的条件下既节省了网络资源又实现了传感网络的数据传输。

通过查阅资料知，在感知层和网络层之间添加的一层可以实现感知层数据的汇聚，这层称为汇聚层。

如图 2-1 所示。

网关作为异构网之间的纽带,主要体现在汇聚层。

这样就可实现感知层和网络层的无缝衔接。

而汇聚层主要是实现Internet远程监控的WEB服务和作为无线传感器网络的数据收发中心。

它通过网络，将从感知层的传感器设备采集到的数据发送到传输网络中，同时将数据融合处理,实现数据库服务,借助终端这个平台，就可以实现实时监测、管理感知层的设备状态和信息，以提供更为便捷的近程监控。

2.2系统总体设计方案
本课题研究设计的物联网网关要通过串口处理来自WSN节点的数据,这就决定了实现物联网网关的硬件平台必
须可以提供足够强大的网络支持,而且还需要支持TCP/IP协议。

综上，总体设计框图如图2-2所示：
图2-2 总体设计框图
下面将对物联网网关系统的整体设计思路和方案进行详细的讨论分析。

2.2.1网关设计的基本要求
物联网网关是介入无线传感器网络与互联网之间实现感知网络与基础通信网之间的桥梁。

它既要实现异构网通信中转作用，又要能实现对感知网络的管理,并有效的结合广域互联与局域互联，所以，网关的协作能力也应该较强。

另外，网关在移动过程中应始终保持与网络的连接，所以，网关的移动能力也应该较强。

当然，考虑到网关应该要实现无线传感网络与互联网间的交互信令、数据的转换，所以，网关的信令处理能力也应该较强。

最后不可忽略的一点，网关应能够迎合需要适时保留终端节点所处的位置、路由、认证、数据信息等，所以，网关的数据储备能力也应该较强。

2.2.2网关功能模块的组成
网关是广域网和外部网络中间的一个节点，作为入口节点的它，一方面,要能接受允许客户的远程访问，即要支持TCP/IP协议议并能提供WEB服务。

另一方面，从用户体验角度来看，用户要能通过远端PC对整个网络进行控制。

在本文网关设计中，硬件平台是ARM微处理器,它对外就是把以太网接入公共网络,对内就是把无线传感器节点组成无线传感器网络连成一体。

通俗的说就是网关不仅要具有他本身应有的功能，还应具有服务器的功能。

2.2.3网关软件总体构架
物联网网关处于物联网体系结构中的汇聚层，其两端连接的分别是传感网络和公共传输网络。

在本设计中，采用RS-232/485与Wi-Fi接入的方式实现传感网络的通信，公共网络端采用的是基于以太网接入的方式。

网关整体框架如图 2-3所示:
图2-3 网关整体框架图
ZigBee内部连通就是一个星形拓扑结构，这个拓扑结构由一个负责分配ID和地址、并对其他网络节点传送的信息进行数据封装的协调器(PAN)构成，其他节点也只能通过这个协调器来和外部网络进行信息交换。

ZigBee网络与网关的通信主要是通过串口,当协调器收到来自链路节点的数据时,就把信息传送到应用层,应用层再调用串口API传送到网关,网络主要就是根据内部协议转换机制把该数据转换成可以接受的数据,然后再发送到互联网。

网关到互联网通信机制是双向的,所以完成其中一步的通信即可。

它们的通信用串口就可以实现,互联网的数据通过串口发送到协调器，数据封装后,根据ZigBee的短地址（MAC地址与物理地址）发送出去。

2.3网关硬件总体构架
本文在综合考虑兼容性、成本、性价比等方面后,CPU采用基于ARM9 smart 210,ZigBee模块核心芯片采用CC2 530,其网关的硬件结构图如图2-4所示：
图2-4 网关的硬件结构图
2.4无线传感器网络技术
无线传感器网络(WSN)是由许多在监测区域内分布的大量廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，它使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况并进行相应的数据采集与处理，最终将其报告给用户。

2.4.1无线网络通信协议
对于WSN的应用来说,综合考虑实现时软硬件的各个方面，通信协议的选取就显得尤为重要。

WSN通信协议特点如下：
节点的通信协议要求简单。

避免受到如传感器节点的能源储备、计算与处理能力、存储量、通信能力等限制。

2.通信协议应具有对应的处理体系。

防止拓扑结构随着外界环境变化而变化。

3.采用模块化设计。

为了使传感器网络的通信协议针对不同的应用有不同的配置。

目前,在WSN的应用中,ZigBee技术应用最为广泛。

ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协定，它主要优势是低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。

它的传输速率为10kbit/s-250kbit/s，有效覆盖范围为10m-75m，可同时支持65536个设备。

ZigBee协议栈：
ZigBee协议栈由层模块组成。

每一层都执行一组特定的服务：如数据实体提供数据传输，管理实体提供所有其他的服务。

每个SAP都能支持多种服务原语来实现要求的功能，而这个SAP则是由上一层提供的接口。

图2-5 ZigBee协议栈结构概览
2.4.2核心技术
核心支撑技术就是建立在通信协议的基础之上的一个具有具体应用环境的网络系统,并且通过操作协议的应用层服务接口来封装对底层的操作。

WSN的核心支撑技术如下：
(1)拓扑控制。

路由协议的基础，网络的生产时间受其影响比较大。

为了有效的减少通信间的通信干扰，必须选择符合要求的拓扑结构与功率。

(2)节点定位。

原理是根据一定的算法在已知节点基础上定位未知节点。

节点定位在有些场合是比较重要的，如森林火灾。

(3)时间同步。

节点间时间的必须是同步的，因为WSN中是分布式协同工作。

(4)数据管理与融合。

为更好地管理传感器网络数据，需要将用户屏蔽在技术之外且能够友好地控制WSN,使物理网络逻辑化。

2.5嵌入式系统
目前，应用最广泛的专用电子系统非嵌入式系统莫属。

随着应用范围的扩展与延伸,对技术广度和深度的要求也越来越苛刻，主要体现在智能控制的应用与处理信息的能力,以及对设备的成本的高低、性能好坏、开发周期长短和可靠性高低等的关注。

2.5.1嵌入式处理器
嵌入式处理器核心是嵌入式系统，纵观整个嵌入式处理器应用市场,单片机的成功案例虽然尤为显著，而单纯的单片机或微控制器技术显然已经无法满足需求。

而ARM芯片凭借处理能力强和功耗低等优势一举抢占市场先机,并逐步渗透到我们生活的各个领域。

基于ARM芯片的优势考虑，本设计选取了Cortex-A8系列中的互联型产品S5PV210作为总控制芯片。

因为它的片内外设非常丰富，大可不必再对存储器再扩展,从而开发成本也减少了，开发难度也降低了。

2.5.2 嵌入式 TCP/IP
在Internet上所使用的TCP/IP协议是一个分层设计的协议集合,每一层有每一层的功能。

在嵌入式系统中的T CP/IP具有其显著的特点：(1)存储使用量减少。

为了不影响到系统性能和成本，在实现嵌入式系统中应该想尽办法减少存储空间的使用量。

(2)高度可裁剪性。

为满足不同应用的需求，在协议栈的实现必须高度模块化,以方便更好地实现对目标系统的可栽剪。

通常可裁剪程度同代码实现的模块化程度成正比。

(3)可移植性强。

嵌入式系统硬件平台虽然很多，但我们平时在设计时应注意在实现的过程中应避免语言的不协调性。

同时为了提高代码的复用率，在硬件驱动层我们必须进行高精度的抽象和封装,使协议独立于平台。

2.6本章小结
本章对物联网服务网关的结构与它在物联网应用中的功能作了深入分析,根据需求设计出系统总体方案，并分析了实现该设计系统所需要的核心技术，即无线传感器网络和嵌入式系统。

第三章系统硬件设计
本章主要是介绍系统硬件的各模块电路设计原理。

在功能上,物联网网关既要作为无线传感器网络的控制中心，又要实现一个嵌入式WEB服务器，即既要满足到远程控制的需要,又要考虑到室内近程控制的便捷性。

故硬件电路中应包含以下的功能电路:能实现通信、控制和管理,能实现网络连接,能执行射频模块的无线收发信息,能实现近程控制的基本输入输出。

3.1物联网服务网关的硬件整体结构
本设计，其实就是一个智能型电子系统，因为它广泛涉及到多任务通信、通信协议控制、数据传输与处理等方面。

3.1.1系统电路设计方案概述
本系统采用以ARM为代表的高性能微控制器(MPU)为核心,其优势是有强大的处理器、丰富的片内外设,主要适用于的应用场合就是那些需要操作系统、支持多任务、良好人机交互功能的情形。

3.1.2系统硬件的整体结构框图
本系统采用ARM Cortex-A8内核的S5PV210的微处理器为主控制芯片来实现设计。

系统硬件结构框图如图3-1所示。

在该图中，主要分为两部分，一部分是ARM处理器内部结构及其片内外设，位于蓝色粗线框内部；另一部分最小系统电路及外围应用电路，位于蓝色粗线框外部。

图3-1 系统硬件结构框图
本系统依据功能主要划分以下三个模块:主控制模块、以太网接口模块、WSN协调器接口模块。

现在简单阐述下其功能:
(1)主控制模块:该模块以ARM作为系统的主处理器,芯片运行所必须的外接电路模块包括电源电路、时钟电路、复位电路，而这些便组成了最小系统电路。

除此之外还有本地应用电路，如：输入输出的LCD、KEY和LED电路、存储扩展数据的SD卡接口、5V电源接入和程序下载的MINI USB接口电路、与PC机通信的电平转换电路等。

(2)以太网接口模块:因为主控制器已经可以实现网络接入对MAC层的支持,所以在外部只接以太网的PHY以及网络接口就行。

(3)WSN协调器接口模块:该接口模块是局部无线传感器网络的总调度中心，通常接WSN的协调器,如:CC1110、C C2430、CC2530等模块,通过串行接口实现与主控模块的通信。

3.2主控制模块
本节首先详细介绍系统所使用的芯片，然后再对各个电路子模块分别进行介绍。

3.2.1 ARM 微控制器S5PV210
因为在整个设计中，系统对以太网MAC的需求、嵌入式操作系统、TCP/IP协议和大量的应用程序，都需要占用大量的存储空间，基于这些考虑，我们选择S5PV210作为整个设计的微控制器。

S5PV210的主要技术指标如下
内核：ARM Cortex-A8
主频：1GHz
内存：512MB DDR2
Flash：256MB SLC NAND FLASH
最高可支持1080p@30fps硬件解码视频流畅播放，格式可为：MPEG-4/MPEG2、H.264/H263、VC-1
支持流畅的2D/3D图形加速
支持HDMI显示接口
支持1个USB HOST2.0，1个USB OTG2.0接口
支持1个SDIO接口（Micro SD卡接口）
支持1路RS232串口接口（调试串口）
支持2个独立CAMERA接口
支持100M以太网卡
支持AC97立体声音频输入/输出接口
支持RTC实时时钟保存。