基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)

二、需求分析

2.1 功能要求

本系統(tǒng)主要包括信息采集節(jié)點、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(jié)點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采集樓宇的變形沉降信息，通過CC2530無線傳輸模塊將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)到嵌入式網(wǎng)關(guān)，視功能需要也可以添加GPS模塊，結(jié)合各種傳感器實現(xiàn)樓宇變形沉降的精準監(jiān)測。每個樓宇可設(shè)置多個基準點，每個基準點配置一個信息采集模塊，多方位采集樓宇群各處得變形沉降信息。信息采集節(jié)點可以采用電池供電，系統(tǒng)的低功耗特性滿足工作時間也可以長達半年，視后期完善程度可以采用太陽能電池板供電，可以充分體現(xiàn)環(huán)保環(huán)保意識，當然前期調(diào)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開發(fā)平臺，嵌入式網(wǎng)關(guān)匯總各信息采集節(jié)點上報的數(shù)據(jù)信息，然后經(jīng)過以太網(wǎng)口上報到上位機，視功能需要也可以添加GPRS遠程無線傳輸模塊。嵌入式網(wǎng)關(guān)主控制板具備各種外設(shè)接口，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時顯示和用戶手動控制，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(shù)據(jù)庫，存儲一定時間內(nèi)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展現(xiàn)給用戶，當然用戶也可發(fā)送命令隨時查看樓宇某時間的變形沉降情況。上位機控制程序可通過計算機的串口對直連的嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊進行控制，也可以通過Internet網(wǎng)絡(luò)TCP的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對遠程嵌入式網(wǎng)關(guān)進行控制。

除以上主要功能外，信息采集節(jié)點和嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊，均采用優(yōu)化的電路設(shè)計和先進的控制策略設(shè)計，均配置有電源穩(wěn)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(tǒng)的整體可靠性和穩(wěn)定性。考慮到環(huán)保低功耗，各模塊初始配置為每隔間斷時間上報各自的數(shù)據(jù)信息，其他時間工作在睡眠模式以降低系統(tǒng)功耗，需要傳輸數(shù)據(jù)時喚醒各自的CPU進入工作模式。各功能模塊可方便組合實現(xiàn)低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自適應(yīng)、可擴展的整個基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇變形沉降監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

圖2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.2 性能要求

系統(tǒng)整體性能要求實現(xiàn)低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自適應(yīng)、可擴展等基本要求，方便以后進一步完善開發(fā)，并憑借各種優(yōu)越特性以利于實際的市場推廣應(yīng)用。

三、方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理

嵌入式網(wǎng)關(guān)控制模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖3，信息采集節(jié)點模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)控制節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

圖4 信息采集節(jié)點模塊硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件平臺選用組委會提供的EVK1100開發(fā)板，EVK1100開發(fā)板是一個基于AVR32 AT32UC3A單片機控制器的評估套件和開發(fā)系統(tǒng)。UC3A系列基于愛特梅爾的AVR 32 UC內(nèi)核，配有512KB的閃存、一個內(nèi)置10/100以太網(wǎng)媒體接入控制器(MAC)、一個具有OTG(on-the-go)功能的全速(12Mbps) USB 2.0接口，以及一個SRAM/SDRAM外部總線接口。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(gòu)的1/4，表現(xiàn)遠遠優(yōu)于對手。這款新的微控制器專為聯(lián)網(wǎng)和以個人電腦為中心的嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品而開發(fā)，尤其適合于便攜式設(shè)備。

AVR32 UC內(nèi)核采用了三級管線型Harvard架構(gòu)，該架構(gòu)主要為優(yōu)化片上閃存的指令存取而設(shè)計。此外，它也是業(yè)內(nèi)首個讓單周期讀寫SRAM繞過系統(tǒng)總線而直接與CPU介接的內(nèi)核，從而實現(xiàn)更快的執(zhí)行速度和周期決定過程，以及更低的功耗。AVR32 UC內(nèi)核與其前身AVR32 AP共享相同的指令集架構(gòu)(ISA)，其中有220多條無方式指令 (modeless instruction) 可作為16位壓縮指令和32位擴展指令使用。該ISA架構(gòu)擁有獨立位(atomic bit)的處理功能，可控制片上外圍設(shè)備和通用輸入輸出(IO) ，以及定點DSP計算，如單循環(huán)小數(shù)飽和乘法及累積算法。另外，該內(nèi)核還含有一個事件處理系統(tǒng)，可以支持優(yōu)先中斷、不可屏蔽中斷及內(nèi)部異常等事件，其中斷反應(yīng)時間最長為16個時鐘周期。

AVR32 UC3A系列集成了許多與愛特梅爾 ARM 微控制器相同的外圍設(shè)備，包括外圍DMA控制器、多層高速總線架構(gòu)、10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、2個串行外圍接口(SPI)、同步串行接口 (SSC)、雙線接口 (I2C兼容)、4個通用異步收發(fā)器 (UART)、3個通用計時器、7個脈寬調(diào)制器以及一整套監(jiān)控功能。

10/100Mbps IEEE 802.3 標準以太網(wǎng) (MAC) 能讓開發(fā)人員設(shè)計出可以通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議堆進行通信的聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)。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(shù)據(jù)通信的人機接口設(shè)備；或針對更大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笕萘看鎯ζ? 與現(xiàn)今的 PC 架構(gòu)通信的方法。由于UC3A USB外設(shè)的OTG功能提供對USB閃存盤、指針設(shè)備或打印機等標準USB設(shè)備的支持，因此讓以PC為中心的計算環(huán)境得以進一步集成。

外部總線接口(EBI) 將可尋址(addressable)的物理存儲器擴大到16MB。其非復(fù)用的16位數(shù)據(jù)總線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6層高速總線矩陣，該結(jié)構(gòu)使總線主外設(shè)能夠以66MHz每秒264MB的最高速度同時訪問任何總線從設(shè)備。這些總線主控設(shè)備（master）包括AVR32 UC核數(shù)據(jù)和指令接口、15信道外圍DMA控制器，以及幾種高速外圍設(shè)備，如以太網(wǎng)MAC和USB?？偩€從設(shè)備(slave)則為片上SRAM和閃存、USB、2個外圍總線橋，以及外部總線接口。