1、吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 題目名稱：基于物聯(lián)網(wǎng)智能教室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 劉日 院 系： 信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)年級(jí)： 08 指導(dǎo)教師： 宮鶴 職 稱： 2012年 5 月 4 日基于物聯(lián)網(wǎng)的智能教室的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 姓 名：劉日 專 業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師：宮鶴摘要 物聯(lián)網(wǎng)作為一種新興技術(shù)，它的發(fā)展得到了越來(lái)越多的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)就是將所有物品通過(guò)射頻識(shí)別、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下人們能夠使用任意設(shè)備、通過(guò)任意網(wǎng)絡(luò)、在任意時(shí)間都可以獲得一定質(zhì)量的服務(wù)。它使得不僅個(gè)人電腦，而且其它小巧的智能設(shè)備也可以連接到網(wǎng)絡(luò)

2、中，從而方便人們即時(shí)地獲得信息并采取行動(dòng)。另一方面，教室環(huán)境作為學(xué)生時(shí)常去往的地方，在此環(huán)境下實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有很好的示范性。對(duì)學(xué)校給予更大的方便，也給國(guó)家起了很大的帶頭作用，更是給予學(xué)生更大的學(xué)習(xí)科技的興趣。 本文在充分研究國(guó)內(nèi)外關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及現(xiàn)有的智能教室系統(tǒng)的前提下，分析現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足，并構(gòu)建了一個(gè)功能強(qiáng)大的智能教室系統(tǒng)。文章首先介紹了物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)與典型應(yīng)用，并引出當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)研究存在的智能空間方案設(shè)計(jì)、agent與智能技術(shù)、新型人機(jī)交互技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)新型應(yīng)用等熱點(diǎn)問(wèn)題。接著，本文針對(duì)這些典型研究熱點(diǎn)，逐一依次詳細(xì)描述了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能教室場(chǎng)景設(shè)計(jì)、無(wú)線通信協(xié)議選型、無(wú)線

3、傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件模塊設(shè)計(jì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、移動(dòng)代理框架構(gòu)架與設(shè)計(jì)、智能算法融合與實(shí)現(xiàn)、智能多空間架構(gòu)設(shè)計(jì)與場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能教室；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；移動(dòng)代理based on the internet of things smart class control system design name：liuri major：electronic information science and technologytutor：gongheabstract as one of the freshest technologies nowadays, the development of inte

4、rnet of things isattracting more and more concerns. internet of things is able to connect all the items to internet via information technology such as rfid and wireless sensor network, in order to realize intelligent identification and management. it is supposed in internet of things environments, s

5、atisfactory services can be provided through any devices or any networks, whenever it is emanded. it makes that not only pc device but also other small devices with intelligence can be connected to the same network. as a result, it is much more convenient for people to obtain real-time information a

6、nd then to take corresponding actions. on the other hand, as a necessarily in our daily life, class as a place where the studends often to go is the most suitable place to establish a paradigm to put those novel technologies all together. hence, the research and design on creative smart class system

7、 based on internet of things possess great technical, economic and social value. and it also will promote the development of relevant industries. this thesis investigates a large quantity of researches on internet of things and smart class both domestically and internationally. then it analyzes the

8、merits and the disadvantages. based on them, a full functional smart class system is built. on this thesis, it firstly introduces structure and typical applications of internet of things to put emphasis on some hot spots proposal of smart spaces, agent and intelligent technology, new human-machine i

9、nteraction novel applications using internet of things. furthermore, this thesis details the key problems respectively protocol of wireless as followings, the design of smart home paradigm, the choice of the protocol of wireless communication, the implementation of hardware and software architecture

10、 of topology, the realization of mobile agent and its platform, the infusion artificial intelligence, the design of smart hyperspace,.key words: internet of things, smart class; wireless sensor network,;mobile agent; 目錄第一章 緒論51.1課題背景與意義51.2題目的研究?jī)?nèi)容51.3 本文結(jié)構(gòu)5第二章 理論分析62.1物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)62.2可行性分析7第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)83

11、.1無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備和技術(shù)83.2嵌入式終端相關(guān)設(shè)備及技術(shù)93.3gprs通信模塊93.4本課題需要的其他硬件設(shè)施93.5硬件環(huán)境搭建11第四章 軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)124.1軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建124.1.1建立qt開(kāi)發(fā)環(huán)境124.1.2嵌入式終端軟件平臺(tái)搭建124.2軟件平臺(tái)整體框架134.3無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)處理模塊144.4.gprs通信處理模塊164.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢模塊184.6語(yǔ)音播放模塊：194.7安防模式：19第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析20第六章 總結(jié)20參 考 文 獻(xiàn)21第一章 緒論1.1課題背景與意義 物聯(lián)網(wǎng)(the internet of things)的概念早在1999年就被首次提

12、出，它的定義很簡(jiǎn)單:把 所有物品通過(guò)射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。物聯(lián)網(wǎng)把新一代it技術(shù)充分運(yùn)用在各行各業(yè)之中，具體地說(shuō)，就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、 鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，然后將物聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合，在這個(gè)整合的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，存在能力強(qiáng)大的中心計(jì)算機(jī)，能夠?qū)φ暇W(wǎng)絡(luò)內(nèi)的人員、機(jī)器、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)施實(shí)時(shí)的監(jiān)視和控制，在此基礎(chǔ)上，人類可以以更加精細(xì)和動(dòng)態(tài)的方式管理生產(chǎn)和生活，達(dá)到“智慧”狀態(tài)，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平，改善人與自然間的關(guān)系1，隨著近年來(lái)微電子、計(jì)算機(jī)、機(jī)電和無(wú)線通

13、信等技術(shù)的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代也距離我們?cè)絹?lái)越近。據(jù)美國(guó)權(quán)威咨詢機(jī)構(gòu)forrester預(yù)測(cè)，物聯(lián)網(wǎng)將成為下一個(gè)萬(wàn)億級(jí)的通信業(yè)務(wù)。 國(guó)際上，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在2009年初將物聯(lián)網(wǎng)和新能源列為今后20年內(nèi)推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎，ibm也隨后馬上提出“智慧地球”策略，致力十建立新的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。在國(guó)內(nèi)，2009年8月份，溫家寶總理也提出要大力建設(shè)“感知中國(guó)”，并在無(wú)錫建立了感知中國(guó)中心。南京郵電大學(xué)也非常重視物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，并建立了全國(guó)高校第一家物聯(lián)網(wǎng)研究院，校企合作進(jìn)一步深入與拓展，物聯(lián)網(wǎng)示范區(qū)和“智慧南郵”項(xiàng)目也都在緊鑼密鼓的策劃中。 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展剛剛處十起步階段，理論研究和實(shí)際應(yīng)用都尚未完善。但作為物

14、聯(lián)網(wǎng)支撐技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及普適計(jì)算，作為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，都已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。在硬件成本平穩(wěn)下降、電路設(shè)計(jì)口益成熟、軟件技術(shù)逐漸強(qiáng)大的背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需要走出實(shí)驗(yàn)室，建立自己的應(yīng)用示范系統(tǒng)。而教室作為學(xué)生的常常去往的地方，在此環(huán)境下實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有很好的示范性與現(xiàn)實(shí)意義。因此研究與實(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能教室系統(tǒng)具有重要的科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)作用。1.2題目的研究?jī)?nèi)容1、根據(jù)不同教室，分別記錄上課時(shí)間表，語(yǔ)音提示上下課（打鈴）（syn6288語(yǔ)音芯片）2、可以實(shí)現(xiàn)該教室監(jiān)考時(shí)間提醒等（播放考場(chǎng)指令，提醒考試時(shí)間等。參照4、6級(jí)考試情況）3、可通過(guò)控

15、制端無(wú)線控制，還可以顯示溫濕度信息、火警信息（安防信息）協(xié)調(diào)器通過(guò)串口和計(jì)算機(jī)相連接。每個(gè)模塊處于休眠狀態(tài)，當(dāng)接收到指令，1.3 本文結(jié)構(gòu) 全文共分五個(gè)章節(jié)，內(nèi)容組織如下: 本文第二章首先在介紹物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，引出智能教室場(chǎng)景這一最有應(yīng)用前景的物聯(lián)網(wǎng)示范系統(tǒng)，簡(jiǎn)介各個(gè)系統(tǒng)功能。研究本課題理論上的可能性，這些前期性工作。; 第三章介紹了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能教室場(chǎng)景設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了該場(chǎng)景下的硬件系統(tǒng)構(gòu)成，體系架構(gòu)等;并分析各個(gè)硬件模塊構(gòu)建第四章主要講述了軟件模塊的構(gòu)建，第五章，分析實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)的結(jié)果并分析其出現(xiàn)的原因。最后，總結(jié)了本文所作的工作，并對(duì)該課題進(jìn)一步研究的重點(diǎn)方向進(jìn)行展望。第二章

16、 理論分析2.1物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)主要由三部分組成：傳感器節(jié)點(diǎn)wsn網(wǎng)絡(luò)，嵌入式服務(wù)器終端，gprs通信模塊及其他裝置。其中傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中包含了多個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是由一個(gè)傳感器模塊加上一個(gè)無(wú)線通信模塊組成的。它們通過(guò)無(wú)線射頻網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交竟?jié)點(diǎn)。基站節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口將所有數(shù)據(jù)傳送給嵌入式服務(wù)器終端，該服務(wù)器底層由arm處理器和嵌入式linux系統(tǒng)組成，在上面設(shè)計(jì)了qt用戶界面平臺(tái)，用來(lái)完成數(shù)據(jù)處理和與用戶交互等功能。服務(wù)器還可以根據(jù)用戶設(shè)置，使用gprs模塊將數(shù)據(jù)以短信的方式傳送給用戶，或者進(jìn)行報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖2-1物聯(lián)網(wǎng)智能教室系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖figu

17、re2.1 the internet of things smart class control system struction2.2可行性分析該系統(tǒng)采用了基于zigbee技術(shù)6的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于arm核心的嵌入式處理器pxa270，具有極高的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。（1）穩(wěn)定性系統(tǒng)基于32位嵌入式微處理器為核心的硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性高。而zigbee技術(shù)具有短距離，高可靠性等特點(diǎn)，可以抵抗各種干擾。（2）先進(jìn)性嵌入式系統(tǒng)采用32位risc結(jié)構(gòu)微處理器，主頻可達(dá)624mhz，處理能力大大超過(guò)了單片機(jī)系統(tǒng)，接近pc機(jī)水平，但體積更小，能夠真正嵌入到設(shè)備中。zigbee網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)在

18、最先進(jìn)的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)之一，通信距離可達(dá)幾十米，并且可以無(wú)限擴(kuò)展。（3）人機(jī)交互通過(guò)大屏幕的觸屏液晶顯示器，而且使用了qt設(shè)計(jì)的用戶圖形界面，使得用戶可以很直觀的來(lái)查看數(shù)據(jù)和進(jìn)行其他各種設(shè)置。（4）開(kāi)發(fā)周期linux具有內(nèi)核定制等功能，并且是開(kāi)源的，再加上開(kāi)源的qt跨平臺(tái)應(yīng)用程序和ui開(kāi)發(fā)框架，可以在很短時(shí)間內(nèi)開(kāi)發(fā)出整個(gè)系統(tǒng)。（5）開(kāi)發(fā)成本linux是免費(fèi)的，而現(xiàn)在qt也可以免費(fèi)使用，arm平臺(tái)相比pc平臺(tái)要便宜很多，所以系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本很低。（6）系統(tǒng)升級(jí)zigbee網(wǎng)絡(luò)可以無(wú)限擴(kuò)展，我們可以隨意加入其它傳感器模塊；linux平臺(tái)可以定制內(nèi)核，很容易支持各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)。第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1無(wú)

19、線傳感網(wǎng)絡(luò)相關(guān)設(shè)備和技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network, wsn）就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集8和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。 隨著微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanism system, mems)、片上系統(tǒng)（soc， system on chip）、無(wú)線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展,孕育出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks, wsn

20、)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來(lái)了信息感知的一場(chǎng)變革。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，而這些無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊和基于cc2430芯片的無(wú)線傳輸模塊組成。其中cc2430是基于zigbee技術(shù)的，它上面運(yùn)行了tinyos系統(tǒng)。下面分別介紹。1. zigbee技術(shù)：zigbee，在中國(guó)被譯為“紫蜂”，它與藍(lán)牙相類似，是一種新興的短距離無(wú)線技術(shù)。zigbee是ieee 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)

21、。這一名稱來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，zigbee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。2. cc2430芯片：cc2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(soc)cmos解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以zigbee為基礎(chǔ)的2.4ghz ism波段應(yīng)用，及對(duì)低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4ghz dsss(直接序

22、列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。 cc2430的設(shè)計(jì)結(jié)合了8kbyte的ram及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，他們是根據(jù)不同的閃存空間32，64和128kbyte來(lái)優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合。3.tinyos系統(tǒng)：tinyos是uc berkeley（加州大學(xué)伯克利分校）開(kāi)發(fā)的開(kāi)放源代碼操作系統(tǒng)，專為嵌入式無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，該操作系統(tǒng)基于構(gòu)件（component-based）的架構(gòu)使得快速的更新成為可能，而這又減小了受傳感網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)器限制的代碼長(zhǎng)度。3.2嵌入式終端相關(guān)設(shè)備及技術(shù)arm（advanced risc machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)

23、計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的risc處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。其適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、dsp和移動(dòng)式應(yīng)用等。該系統(tǒng)使用的arm處理器為pxa270。英特爾公司于2003年底推出了性能最為強(qiáng)勁的pxa27x系列嵌入式處理器，pxa27x系列嵌入式處理器基于armv5e的xscale核心，最高頻率可達(dá)624mhz。作為一款性能極其強(qiáng)勁的嵌入式處理器，配合嵌入式linux或wince操作系統(tǒng)，pxa270理論上可以支持任何媒體格式，并通過(guò)軟件升級(jí)，支持未來(lái)媒體格式。3.3gprs通信模塊gprs是通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（general

24、packet radio service)的簡(jiǎn)稱，它是gsm移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。gprs可以說(shuō)是gsm的延續(xù)。gprs和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（packet）式來(lái)傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜。gprs的傳輸速率可提升至56甚至114kbps。在系統(tǒng)中，我們使用串口和gprs模塊進(jìn)行通信，將我們的數(shù)據(jù)通過(guò)gprs模塊發(fā)送到用戶手機(jī)上。3.4本課題需要的其他硬件設(shè)施1.syn6288語(yǔ)音芯片: syn6288 中文語(yǔ)音合成芯片是北京宇音天下科技有限公司于 2010 年初推出的一款性價(jià)比更高，效果更自然的一款中

25、高端語(yǔ)音合成芯片。 syn6288 通過(guò)異步串口接收待合成的文本，實(shí)現(xiàn)文本到聲音（ tts ）的轉(zhuǎn)換。 我們最新推出的 syn6288 語(yǔ)音合成芯片繼承了 osyno6188 的優(yōu)秀特點(diǎn)：最小 ssop28l 貼片封裝，硬件接口簡(jiǎn)單，極高的性價(jià)比；除此之外， syn6288 文本識(shí)別更智能，語(yǔ)音合成更自然，語(yǔ)音合成效果和智能識(shí)別效果大幅度提高，是一款面向中高端應(yīng)用領(lǐng)域的語(yǔ)合成 syn6288 中高端語(yǔ)音合成芯片的誕生，將推動(dòng)語(yǔ)音合成行業(yè)進(jìn)一步的向前發(fā)展！2.集成溫度傳感器lm94022 lm94022是一種模擬輸出的集成溫度傳感器，主要應(yīng)用于手機(jī)、無(wú)線收發(fā)器、電池管理、汽車(chē)、辦公室設(shè)備及家用電

26、器等。該傳感器主要特點(diǎn)包括工作電壓低，可在1.5v電壓下工作；工作電壓范圍寬1.55.5v；末級(jí)為推挽輸出，有50a輸出電流的能力；有四種靈敏度供用戶選擇；測(cè)量范圍為-50+150；靜態(tài)電流低，典型值為5.4a；精度：2040為1.5；-70-50為1.8；-5090為2.1；-50150為2.7；采用小尺寸so70封裝lm94022根據(jù)gs0、gs1被施加的不同電平有4種靈敏度供用戶選擇，本文中采用gs0、gs1都接地，由于輸出電壓隨溫度升高而下降，其靈敏度為負(fù)值。此時(shí)靈敏度選擇的是-5.5mv/。3濕度傳感器hm1500：hm1500是美國(guó)humirel公司于2002年新推出的兩種電壓輸出

27、式集成濕度傳感器。它是先將側(cè)面接觸式濕敏電容與濕度信號(hào)調(diào)理器集成在一個(gè)模塊中，再封裝而成的。由于集成度高，因此不需要外圍元件，使用非常方便。hm1500 具有高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性，在5vdc供電時(shí)，0100rh對(duì)應(yīng)輸出14vdc線性電壓，溫度依賴性非常低。寬量程：0100%rh，精度3%rh（1095%rh范圍），它有抗靜電，防灰塵，有效抵抗各種腐蝕性氣體物質(zhì)等功能。hm1500濕度與輸出電壓對(duì)應(yīng)表%rhvout ( v )%rhvout ( v )0552.4851.28602.60101.41652.72151.53702.83201.65752.95251.77803.07301.89

28、853.19352.00903.31402.12953.43452.241003.55502.36vout=vs* ( 0.2345+0.00474*rh )3.5硬件環(huán)境搭建整個(gè)系統(tǒng)的硬件由基于zigbee技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，基于arm處理器pxa270的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)和gprs通信模塊三部分組成。其中嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)作為核心，而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)使用基站點(diǎn)通過(guò)串口與嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)相連，gprs模塊也是通過(guò)串口與嵌入式平臺(tái)相連。它們的整體構(gòu)成如圖2-1所示。圖3-5 系統(tǒng)硬件連接示意圖figure3-5 hardware system connection scheme我們這里只需要將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的

29、基站點(diǎn)連接到嵌入式平臺(tái)的串口1上，將gprs模塊連接到嵌入式平臺(tái)的串口2上。對(duì)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，我們還需要安裝好相應(yīng)的傳感器和發(fā)射天線，安裝好的基站節(jié)點(diǎn)如圖2-2所示，其中的usb線纜使用來(lái)供電的。安裝好的傳感器節(jié)點(diǎn)如圖2-3所示，它使用電池進(jìn)行供電。 圖2-2安裝好的基站節(jié)點(diǎn) 圖2-3安裝好的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)于gprs模塊，我們需要將一個(gè)可以使用的gsm手機(jī)卡插入到相應(yīng)的插槽中，然后使用電源線連接電源。第四章 軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)4.1軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建4.1.1建立qt開(kāi)發(fā)環(huán)境2在pc機(jī)上安裝ubuntu 10.04。然后下載并解壓交叉編譯鏈arm-linux-gcc-4.4.3。從qt官網(wǎng)下載

30、linux版本的qt開(kāi)發(fā)框架，這里使用4.7.2版本，下載的安裝包文件為qt-everywhere-opensource-src-4.7.2.tar.gz 。然后使用交叉編譯鏈對(duì)qt源碼進(jìn)行交叉編譯，最后使用make install命令來(lái)安裝qt。我們?cè)購(gòu)膓t官網(wǎng)下載linux版本的qt creator 2.1，然后安裝它，用它來(lái)進(jìn)行qt程序的開(kāi)發(fā)。4.1.2嵌入式終端軟件平臺(tái)搭建嵌入式終端軟件平臺(tái)的搭建，包含以下幾步。第一， 燒寫(xiě)bios。進(jìn)入到“eeliod/jflashmm”目錄下，輸入“tar xzvf jflash xsbase270.tar.gz”解壓jflash工具。進(jìn)入到“jf

31、lash-xbase270”目錄下，輸入“./jflashmm boot”下載“”bootloader。第二， 燒寫(xiě)linux的內(nèi)核。先在pc的linux的根目錄下建立一個(gè)“tftpboot”目錄。把“eeliod/image”目錄下的“zimage和rootfs.img”文件復(fù)制到“tftpboot”目錄下。打開(kāi)minicom并且重啟目標(biāo)板，按下數(shù)字鍵“3”選擇第三個(gè)選項(xiàng)，把內(nèi)核映像文件zimage文件下載到板子上。第三， 燒寫(xiě)文件系統(tǒng)。按下數(shù)字鍵“5”選擇選項(xiàng)5，把文件系統(tǒng)的映像文件rootfs.img下載到目標(biāo)平臺(tái)上。4.2軟件平臺(tái)整體框架本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及其圖形界面實(shí)現(xiàn)都是基于qt的。

32、qt是諾基亞開(kāi)發(fā)的一個(gè)跨平臺(tái)的應(yīng)用程序和ui開(kāi)發(fā)框架。它提供給應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶界面所需的所用功能。qt是完全面向?qū)ο蟮?，很容易擴(kuò)展，并且允許真正地組件編程。該系統(tǒng)的主要軟件功能如表2-1所示。其中的數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，gprs數(shù)據(jù)發(fā)送等功能都是在后臺(tái)進(jìn)行的，而數(shù)據(jù)顯示，用戶設(shè)置與查詢，多媒體播放等功能是在圖形界面上實(shí)現(xiàn)的。表2-1軟件功能表table1 software function 數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)顯示用戶設(shè)置與查詢多媒體播放gprs數(shù)據(jù)發(fā)送qt圖形界面平臺(tái)這些功能在程序設(shè)計(jì)中是通過(guò)幾個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的。對(duì)它們簡(jiǎn)單介紹如下：主界面模塊：繪制界面，完成數(shù)據(jù)

33、顯示、用戶設(shè)置等功能，它需要調(diào)用其他幾個(gè)模塊；而且它的設(shè)計(jì)有兩個(gè)模式考試模式和上課模式，當(dāng)一個(gè)教室有課或考試時(shí)需要向改教室發(fā)送指令。無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)處理模塊：完成數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)處理等功能；gprs通信處理模塊：完成gprs數(shù)據(jù)發(fā)送功能；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢模塊：完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢等功能；語(yǔ)音播放模塊：完成語(yǔ)音播放功能。安防模式：預(yù)防火警發(fā)生 這些模塊的結(jié)構(gòu)，如圖2-4所示。圖2-4軟件模塊結(jié)構(gòu)圖figure software module structure4.3無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)處理模塊該模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和解析處理。傳感器的基站節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器，所以在程序中主要是應(yīng)用

34、串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和處理。整個(gè)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖2-7所示。當(dāng)在程序中打開(kāi)串口后，傳感器的基站節(jié)點(diǎn)就會(huì)每隔一秒鐘向串口發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，但并不是每次發(fā)送的數(shù)據(jù)都是有效數(shù)據(jù)，所以我們?cè)诔绦蛑行枰獙?duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行測(cè)試判斷，如果是有效數(shù)據(jù)，才進(jìn)行解析。最后將得到的有效數(shù)據(jù)提供給主界面進(jìn)行顯示，并由主界面模塊將該數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，將它存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以便用戶以后查詢。圖2-7讀取串口流程圖figure 2-7 read serial flow chart 對(duì)于串口數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容如圖2-8所示。數(shù)據(jù)幀一共有12字節(jié)，只有最后兩個(gè)字節(jié)是有效的傳感器數(shù)據(jù)，我們只需要處理這兩個(gè)字節(jié)，然后將它顯示到界面上。對(duì)于不同的傳感

35、器，傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容是不同的，所以我們從數(shù)據(jù)幀的type字段獲取傳感器類型，然后從data字段獲取有效數(shù)據(jù)。對(duì)于不同的傳感器，我們需要使用不同的公式將data數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可讀數(shù)據(jù)。例如對(duì)于溫度傳感器，我們需要進(jìn)行下面這樣的操作：qbytearray temp = mycom-readall();/讀取串口緩沖區(qū)的所有數(shù)據(jù)給臨時(shí)變量tempqstring a1 = qstring(temp.at(24); /讀取第25個(gè)字節(jié)qstring a2 = qstring(temp.at(25); /讀取第26個(gè)字節(jié)qstring aa = a1+a2;qstring b1 = qstring(tem

36、p.at(27); /讀取第28個(gè)字節(jié)qstring b2 = qstring(temp.at(28); /讀取第29個(gè)字節(jié)qstring bb = b1+b2;qstring cc = aa+bb; /將溫度數(shù)據(jù)合并起來(lái)if(cc != ff00)int temperature = cc.toint(0,16)*0.01-40; /將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，然后使用公式ui-label_temp-settext(tr(現(xiàn)在的溫度是：%1).arg(temperature);圖4-8傳感器串口數(shù)據(jù)幀figure 4-8 sensor serial data frames4.4.gprs通信處理模

37、塊在gprs通信處理模塊中，主要是根據(jù)gprs的使用原理，將我們要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到gprs通信模塊中，進(jìn)而發(fā)送到用戶手機(jī)上。一般gprs模塊都提供一個(gè)db9接頭或擴(kuò)展通信接口實(shí)現(xiàn)rs232通信，該db9接頭可以直接和pc的串口com1或是嵌入式平臺(tái)的串口相連。 使用arm或者單片機(jī)通過(guò)rs232串口與gprs模塊通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的at命令來(lái)控制gprs模塊實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能，例如：發(fā)送短信，撥打電話，gprs撥號(hào)上網(wǎng)等。基于gprs模塊產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)往往都是基于arm平臺(tái)，使用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。at命令使計(jì)算機(jī)或終端與調(diào)制解調(diào)器通訊?？梢园凑兆约旱男枰O(shè)置您的調(diào)制解調(diào)器，at指令的所有命

38、令行必須由ascii字符“at”開(kāi)始并由 結(jié)束。字母at用以提醒調(diào)制解調(diào)器注意，其后將有一條或多條命令出現(xiàn), at及其后的字母可以是大寫(xiě)或小寫(xiě)。常用的at指令如表2-2所示。一串命令可以寫(xiě)在一行里。為了便于閱讀可以加或不加空格。命令中或命令間的空格會(huì)被忽略，命令行的最多字符數(shù)為39(包括at)。在輸入一條命令期間，可以用退格鍵(backspace)改正除at以外的錯(cuò)誤。若命令行中任一處出現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤，本行其后的內(nèi)容將被忽略，并返回error。大數(shù)帶有超出正常范圍的參數(shù)的命令將不被接收并返回 error. 表2-2部分at指令表at 指令功能ate0 gsm模塊復(fù)位指令at+cmgc send a

39、n sms command（發(fā)出一條短消息命令） at+cmgd delete sms message（刪除sim卡內(nèi)存的短消息） at+cmgf select sms message formate（選擇短消息信息格式：0-pdu;1-文本） at+cmgllist sms message from preferred store（列出sim卡中的短消息pdu/text: 0/“rec unread”-未讀，1/“rec read”-已讀，2/“sto unsent”-待發(fā)，3/“sto sent”-已發(fā)，4/“all”-全部的） at+cmgr read sms message（讀短消息）

40、 at+cmgs send sms message（發(fā)送短消息） at+cmgw write sms message to memory（向sim內(nèi)存中寫(xiě)入待發(fā)的短消息） at+cmss send sms message from storage（從sim內(nèi)存中發(fā)送短消息） at+cnmi new sms message indications（顯示新收到的短消息） at+cpms preferred sms message storage（選擇短消息內(nèi)存） at+csca sms service center address（短消息中心地址） at+csmp set sms text mod

41、e parameters（設(shè)置短消息文本模式參數(shù)） at+csms select message service（選擇短消息服務(wù)）假設(shè)需要送一條短信“hello”，那么我就需要輸入下列的at指令：at+cmgf=0 at+cmgs=21 0891683108200105f011000b91683118483146f900000006c8329bfd0e01后面這一長(zhǎng)串的數(shù)字就是pdu數(shù)據(jù)，它的長(zhǎng)度為60位，扣掉前面短信中心的號(hào)碼18位（即前9個(gè)字節(jié)不計(jì)數(shù)），同時(shí)除以2，得到21（字節(jié)長(zhǎng)），填入“at+cmgs=_”； 而pdu數(shù)據(jù)的具體含義如表2-3所示。表2-3 p

42、du格式說(shuō)明表分段含義說(shuō)明08 smsc地址信息的長(zhǎng)度共8個(gè)八位字節(jié)(包括91) 91 smsc地址格式(ton/npi) 用國(guó)際格式號(hào)碼(在前面加+) 68 31 08 20 01 05 f0 smsc地址8613800250500，補(bǔ)f湊成偶數(shù)個(gè) 11 基本參數(shù)(tp-mti/vfp)發(fā)送，tp-vf用相對(duì)格式 00 消息基準(zhǔn)值(tp-mr) 0 0b 目標(biāo)地址數(shù)字個(gè)數(shù) 共11位，不包括補(bǔ)足的f 91 目標(biāo)地址格式(ton/npi) 用國(guó)際格式號(hào)碼(在前面加+) 68 31 18 48 31 46 f9 目標(biāo)地址(tp-da) 8613818413649，補(bǔ)f湊成偶數(shù)個(gè) 00協(xié)議標(biāo)識(shí)(tp

43、-pid)是普通gsm類型，點(diǎn)到點(diǎn)方式 00用戶信息編碼方式(tp-dcs) 007-bit編碼 048-bit編碼 08 ucs2 編碼7-bit編碼00有效期(tp-vp)5分鐘 06短信長(zhǎng)度(tp-udl) 實(shí)際長(zhǎng)度6個(gè)字節(jié) c8 32 9b fd 0e 01短信內(nèi)容(tp-ud) “hello!” 在這里我們可以看到這條短信的內(nèi)容是“hello”，通過(guò)7-bit編碼編譯成“c8 32 9b fd 0e 01”。這樣我們便可以在串口中將獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。4.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢模塊軟件平臺(tái)中使用了sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。sqlite，是一款輕型的數(shù)據(jù)庫(kù)，是遵守acid的關(guān)聯(lián)式數(shù)

44、據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是嵌入式的，而且目前已經(jīng)在很多嵌入式產(chǎn)品中使用了它，它占用資源非常的低，在嵌入式設(shè)備中，可能只需要幾百k的內(nèi)存就夠了。它能夠支持windows/linux/unix等等主流的操作系統(tǒng)，同時(shí)能夠跟很多程序語(yǔ)言相結(jié)合，比如 tcl、c#、php、java等，還有odbc接口，同樣比起mysql、postgresql這兩款開(kāi)源世界著名的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)來(lái)講，它的處理速度比他們都快。表4-5是主要的數(shù)據(jù)表及其內(nèi)容。在這個(gè)模塊中我們主要是建立sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)連接，然后創(chuàng)建數(shù)據(jù)表，將主界面?zhèn)鱽?lái)的傳感器數(shù)據(jù)信息寫(xiě)入表中。這個(gè)模塊也要完成數(shù)據(jù)查詢功能，它將主界面?zhèn)鱽?lái)的關(guān)鍵字在表中進(jìn)行

45、查詢，然后將結(jié)果返回給主界面。表2-4數(shù)據(jù)庫(kù)wsn_data表信息table4-5 database wsn data table information表項(xiàng)類型含義id整型編號(hào)time字符型時(shí)間temperature浮點(diǎn)型溫度humidity浮點(diǎn)型濕度luminosity浮點(diǎn)型光度4.6語(yǔ)音播放模塊：4.7安防模式：avr單片機(jī)已廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)、家用電器、智能玩具、便攜式智能儀表和機(jī)器人制作等領(lǐng)域，使產(chǎn)品功能、精度和質(zhì)量大幅度提升，且電路簡(jiǎn)單，故障率低，可靠性高，成本低廉。avr單片機(jī)具有高速度、高保密性、低功耗的特點(diǎn)。本文中采用tamel公司新一代avr系列單片機(jī)中的atmega1

46、6。atmega16 內(nèi)含可反復(fù)編程的flash程序存儲(chǔ)器、sram和eeprom兩種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、方向可定義的i/o口、同步串行口、異步串行口、a/d轉(zhuǎn)換器及pwm等豐富的內(nèi)部資源。一般的應(yīng)用系統(tǒng)只需此一塊芯片即可實(shí)現(xiàn)智能化。2 工作原理與電路調(diào)試先打開(kāi)avr單片機(jī)的電源，通過(guò)cvarv編輯的程序先用avrstudio燒進(jìn)avr單片機(jī)中。打開(kāi)sw1開(kāi)關(guān)，溫度傳感器lm94022開(kāi)始工作，經(jīng)過(guò)它轉(zhuǎn)換得的電信號(hào)經(jīng)單片機(jī)的pb1端口傳入單片機(jī)進(jìn)行處理。打開(kāi)sw2開(kāi)關(guān)，濕度傳感器hm1500開(kāi)始工作，經(jīng)過(guò)它轉(zhuǎn)換得的電信號(hào)經(jīng)單片機(jī)的pb2端口傳入單片機(jī)進(jìn)行處理。單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)后先經(jīng)過(guò)adc單元，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)采用系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘，每2ms執(zhí)行一次，即接收數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單11片機(jī)后，根據(jù)指定的靈敏度將它轉(zhuǎn)變?yōu)闈穸群蜏囟取Ｈ缓笸ㄟ^(guò)單片機(jī)的pa口將數(shù)據(jù)送出，pc口為數(shù)碼管的段選。數(shù)碼管的前三位為顯示溫度，數(shù)碼管的后三位為顯示濕度。顯示都精確到小數(shù)位后一位。同時(shí)此系統(tǒng)安裝了報(bào)警功能，根據(jù)人體的舒適度，當(dāng)溫度35或者濕度大于60%時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警，提醒人注意。并發(fā)送至pc主機(jī)，又由主機(jī)向門(mén)衛(wèi)發(fā)送警報(bào)。第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析當(dāng)某一教室有課時(shí)電腦上