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系统整体设计的论文

时间:2020-12-10 13:21:59 论文范文 我要投稿

系统整体设计的论文

  系统设计的方法主要包括结构化生命周期法(又称瀑布法)、原型化方法(迭代法)、面向对象方法。按时间过程来分,开发方法分为生命周期法和原型法,实际上还有许多处于中间状态的方法。

系统整体设计的论文

  第一篇

  1系统整体设计

  从逻辑结构上可以将系统分成3个部分:农田环境参数采集系统,数据存储管理系统,远程监控系统。

  农田环境参数采集系统是由大量的传感器节点构成。

  传感器节点分为农田参数采集节点和网关节点两种节点类型。

  农田参数传感器节点负责采集农田环境中的各种参数,所得参数通过WIA-PA无线网络发送给网关节点。

  网关节点作为整个农田环境采集系统的核心节点,接受农田参数采集节点发送过来的数据,并将数据整理打包通过Internet网络发送至远程的Web主机。

  数据存储管理系统由SQLServer2008数据库服务器平台和数据分析处理软件组成。

  该系统接收来自网关节点的各种数据信息,并存储到数据库中。

  此外该数据库中存储了无线传感器网络的配置信息及人员操作记录等。

  远程监控系统是负责监测整个系统运行情况的窗口,该系统是基于B/S架构的网络系统。

  操作人员可以在不同地点,以不同的方式(如LAN、Internet)对系统进行访问,监测传感器节点的工作情况,并且可以发送指令使传感器节点完成相应的任务。

  2系统硬件设计

  农田参数采集系统中的农田参数采集节点和网关节点在结构上大体相似,主要由主控制器模块、参数采集模块、电源模块构成。

  2.1农田参数采集模块电路设计主控制器模块是农田参数采集模块的核心器件,模块电路所采用的处理器为意法半导体(ST)公司的具有ARMCortex-M3核的STM32F107,负责连接各个参数传感器。

  农田环境参数主要由土壤水分、空气温度、湿度等,所采用传感器分别为SHT10温湿度传感器、TDR-3土壤水分传感器、BYT20YSCGJ光照度传感器。

  SHT10传感器使用简单,只需将SCK引脚、DATA引脚分别于STM32F107的IO口连接即可。

  TDR-3测定土壤水分是通过测定电磁波沿插入土壤的探针传播时间来确定土壤的介电常数进而计算出土壤水分含量。

  TDR-3的电路连接图如图3所示,Vout引脚通过信号放大电路、采样保持放大器AD783、A/D转换芯片TLC549连接到STM32F107的IO口。

  本设计采用MG811CO2传感器采集CO2含量,该传感器采用固体电解质电池原理测试CO2含量。

  CO2传感器电路连接图如图4所示,采集电路由3个部分构成:即温度补偿部分、放大部分以及电压比较部分。

  温度补偿部分电路主要采用温感电阻构成,放大部分电路主要采用芯片CA4140。

  比较输出部分采用比较器LM393实现比较输出。

  2.2射频模块电路设计射频模块电路主要负责将传感器模块所采集的参数信息通过WIA-PA无线网络发送至数据存储管理系统。

  射频模块电路主要采用Chipcon公司推出的符合2.4GHzIEEE802.15.4标准的射频芯片CC2430。

  CC2430与主控制器STM32F107连接简单,电路如图5所示,CC2430与STM32F107通过SPI接口连接。

  2.3电源模块电路设计由于农田环境参数节点中的处理器需要3.3V电源,传感器模块需要12V和5V电源供电,所以在电源模块供电方式上采用12V的锂电池供电。

  3.3V和5V电源主要采用电平转换芯片LP2590-3.3和LP2590-5。

  3系统软件设计

  3.1节点部分软件设计农田环境参数采集系统的软件部分采用模块化编程,如图6所示,以协议栈、板级支持包、应用程序相结合的方式,程序模块间采通过接口函数通信,软件中的任务调度器对3个模块进行调度。

  在协议栈方面,WIA-PA无线传感器网络遵循ISO/OSI的七层结构,通过基于80215.4标准格式的超帧结果,以TDMA的介入方式实现各个时段各个层次间的通信。

  在板级支持包方面,根据处理器STM32F107的内核及外设模块进行硬件抽象,编写统一的接口函数方便上层应用程序直接调用,从而使应用程序间接操作各个外设模块。

  应用程序将土壤含水率、温湿度等参数采集、以及节点ID信息发送给网关节点。

  网关节点负责网络间协议转换,实现WIA-PA无线网络和Internet之间的数据转换和处理。

  网关节点软件部分调用嵌入式Linux的socket接口编程函数建立网关和远程主机之间的网络连接,实现网关和远程主机间的Internet通信。

  3.2远程监控系统设计与实现远程监控系统采用基于J2EE的B/S构架,该应用构架集成了Struts应用框架技术和Hibernate应用框架技术,可以有效的保证系统长时间在大负荷量的情况下工作,软件框图如图7所示。

  该系统架构分为4个模块,分别是节点管理、用户管理、数据管理、日志管理。

  节点管理模块:该模块负责对农田环境参数采集节点的情况进行管理,诸如记录节点ID,发射功率等情况。

  用户管理模块:该模块是系统安全性保障的一个重要模块,负责对访问系统的用户进行合法性判断,权限判断。

  使得用户只能在其权限范围内对系统进行操作和调用特定的数据资源。

  数据管理模块:该模块主要是对节点所采集的农田环境参数信息进行处理和存储,方便操作人员分析数据。

  本部分具有对数据的参数、打印、备份与统计等操作。

  日志管理模块:该模块会对整个系统中的事件进行记录,有助于操作人员了解整个系统在无人值守的情况下的运行状态。

  4系统性能测试

  整个系统在河南农业大学附近农田进行了测试,通过在农田内部署8个环境参数采集节点与网关节点,参数采样间隔时间设置为30min,采样数据经过WIA-PA网络传输给网关节点,再经过网关节点传送至远程的Web主机。

  每个节点每天发送数据包48个,通过查询Web主机内的存储信息来计算数据包的发送成功率。

  节点发送成功率统计表如表1所示。

  通过表1可以得知,节点发送数据的成功率随着通信距离的增加而减小,并且在发送耗时方面随着通信距离增加而增加。

  5结论

  本论文主要针对目前微灌技术的研究,将WIA-PA无线网络和数据库等技术应用于微水监控系统。

  采用WIA-PA标准的无线传感器网络对农田环境参数进行采集,上传到数据库中,为系统管理人员提供参考,方便做出灌溉决策和措施。

  本系统采用的WIA-PA无线数据传输方式可以有效的降低成本,系统可靠性高,节点布局方面,实时性好,将会有非常好的'应用前景。

  第二篇

  1系统总体设计

  基于Wi-Fi无线网络的设计的温室监控系统的总体框架是由温室采集层、数据汇集层、监控中心层3层构成。

  部署在温室内大量的微型终端节点能够独立完成对温度、湿度、CO2浓度、光照强度的测量,并且把收集到的数据,使用Wi-Fi无线通信形式发送到数据AP节点进行汇集,最后由AP节点传回到监测中心,如图1所示。

  2Wi-Fi无线通信系统节点硬件设计

  Wi-Fi又称802.11b标准,IEEE802.11b无线网络规范是对IEEE802.11的改进,其最高带宽为11Mbps。

  在信号较弱或有干扰的情况下,带宽可调整为5.5,2,1Mbps[3-4]。

  本系统中带宽为11Mbps。

  本系统需要完成基于Wi-Fi的无线传感器网络节点的设计与制作,包括终端节点和AP节点,并以无线传输的方式为上位机提供室内温度、湿度、CO2浓度及光照传感器参数值。

  2.1电源模块本系统的各个模块工作电压都为3.3V,因此供电采用2节AA电池,提供的工作电压为3.3V。

  电源电路如图2所示。

  2.2Wi-Fi无线通信模块Wi-Fi无线通信模块采用GainSpan公司的超低功耗模块—GS1011MEP。

  该模块芯片中包括2个32位ARM7处理器,一个用于处理无线发送数据,一个用于软件应用。

  芯片内嵌的Flash和SRAM用于保存程序和数据;可用USB转串口对模块进行编程和调试;ADC,GPIO,I2C总线等接口用于接收来自传感器采集到的数据信息[5],工作电压为3.3V;通过串口与单片机通信。

  Wi-Fi模块电路图,如图3所示。

  2.3处理器模块终端节点采用低功耗STC89LE52RC单片机。

  该单片机IO口可模拟I2C接口和传感器模块进行通信,供电电压为3.3V。

  AP节点无需处理器。

  2.4串口模块Wi-Fi模块和单片机通过串口通信,并通过USB转串口进行程序配置,如图4所示。

  2.5传感器模块本设计中采用瑞士Sensirion公司生产的SHT11数字式温湿度传感器,工作电压为3.3V;通过串行数据线SDA和串行时钟线SCK与单片机的P1.2,P1.3相连进行通信,SDA需接一个10kΩ上拉电阻,实现SHT11的控制,以读写温湿度的数据[6]。

  光照强度传感器采用ISL29010数字型光照强度传感器,工作电压为3.3V,工作电流为0.25mA,待机电流0.1μA,测量精度±50lux,连接单片机的P2.0及P2.1[7]。

  CO2传感器采用C20红外CO2传感器,精度可达10×10-6,功耗<100mW,工作电压3.3V,连接单片机的P2.6及P2.7[8]。

  传感器与单片机连接电路原理图,如图5所示。

  3Wi-Fi无线通信系统节点软件设计

  IEEE802.11标准定义了两种基本操作模式:In-frastructure模式和Ad-hoc自组织网络模式。

  在本设计方案中,以Infrastructure组网模式为基础,TCP/IP为通信协议,将多个终端节点采集到的数据通过AP节点传输到监测中心。

  本系统中,首先使用gs_flashprogram软件对GS1011模块进行烧写Wi-FiProtectedSetup(WPS)程序,该程序内嵌TCP/IP协议;然后,采用KeiluV4软件对单片机进行软件设计,软件结构由AT指令、各传感器的程序和API接口组成。

  在系统中,终端节点定时向AP节点发送采集到的数据,AP节点主要负责把收到终端节点发送到的数据帧传送给监控主机,最终为应用程序提供诸如温湿度、光照、CO2等参数信息。

  系统中所有的节点都工作在同一信道,同一时刻只能有一个终端节点和AP节点通讯,在定时器的控制下,各个终端节点在不同的时间被唤醒后,开始工作,采集数据后分别向与其配置的AP节点发送5次数据。

  发送数据后,定时器满,传感器休眠。

  其他时间双方都处于未连接状态,不同的IP地址有效避免了数据的冲突,降低了系统功耗。

  其软件流程如图6和图7所示。

  4管理系统的实现

  上位机是整个系统的管理核心,主要由串口接收程序及上位机管理程序等功能模块组成,采用Mi-crosoftVisualStudio2010里的MSCOMM控件设计串口接收程序,采用MicrosoftVisualStudio2010里的MFC应用程序框架设计上位机程序。

  监控中心程序主要进行传感器设置查询、数据接收、数据存放及历史数据查询等,当监控人员在客户端登入并查询相关资料时,系统可以将数据库中已处理过的数据调出,并以视图的形式提供给用户,以实现对温室大棚的远程监测。

  监测人员根据数据可以调整温室内的温湿度等数据。

  5系统测试

  在某基地对本文设计的系统进行了测试。

  在4个温室中各自放置2个节点,其中终端节点8个,路由节点2个。

  温湿度传感器、光照强度传感器、CO2传感器集成在终端节点上。

  终端节点仅需2节普通5号电池就可以工作6~12个月。

  节点固定在温室大棚内离地面1.5m处,两节点相互间隔50m。

  终端节点每隔30min进行一次采样,完成数据采集、发送之后,自动进入休眠状态,直至下一个采样周期唤醒。

  表1所示为光照、温度、湿度和CO2浓度监测结果。

  系统部署示意如图8所示。

  6结束语

  本文设计的温室环境监测系统具有良好的应用前景,能够正确地采集温湿度、光照强度和CO2浓度数据,并可通过Wi-Fi协议进行网络传输[6]。

  但无线传感器网络的发展也面临许多技术难题,如在本文设计的系统中,对于监控的数据无法对温室进行实时调节,只能进入温室调节。

  为了改进系统,可以在监控中心增加智能调控系统,如在后台以远程调节温室内的温湿度等。

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