基于物联网与地理信息系统的环境监控系统

基于物联网与地理信息系统的环境监测系统

学校：南京理工大学

指导老师：彭树生

组员: 谢蓬丹

蒋张涛

陆定斌

目录

1 设计背景 (3)

2 设计目的 (3)

3 主要设计思路 (3)

3.1系统主要设计框图 (3)

3.2 终端物理监测节点设计 (5)

3.3 数据中继节点设计 (6)

3.4 数据处理中心设计 (6)

3.4.1 服务器平台的搭建 (7)

3.4.2 服务器平台软件的实现 (8)

3.5 用户终端app软件的设计 (9)

4 应用前景 (10)

5 应用扩展 (11)

1 设计背景

信息技术发展的走向就是为了方便人们的生活，通过各种技术，使人们能够方便快捷的得到想要的信息。从人类发明计算机到互联网的快速发展与普及，每一次科技的变革都将重大的影响着人们的生活习惯。如今人们通过互联网，在家里上淘宝就能在网上购买自己想要的东西，这不得不说，通信的发展，给人们带来的便利以及办事效率的提高是极大的。当下互联网技术的高速发展，嵌入式技术的大量应用，势必会再一次引导技术革命，更加方便人们的生活。

在互联网的基础上，构造一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网，即物联网。此设想有两层意思：

1、物联网的核心和基础是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；

2、其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，并进行信息交换和通信。首先从技术角度理解，物联网是指物体的信息通过智能感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互、处理的一种智能网络。其次从应用角度理解，物联网是指把世界上所有的物体都连接到一个网络中，形成“物联网”，然后“物联网”又与现有的“互联网”结合，实现人类社会与物理系统的整合，从而以更加精细和动态的方式去管理生产和生活。

2 设计目的

随着人类社会的不断发展，对于地球资源的利用出现了很多不协调的地方。如今大气污染越来越严重，不少大中城市一年之中都有不少天都处于雾霾的笼罩之下。虽然现在很多城市都有环境监测点，但是对于一个人口密集的城市来说，环境监测点分布太散，环境信息监控不够精确。即使是现在的很多电子环境监测点，也都是通过架设电缆等方式，有线手段接入网络。这样的后果是设计成本普遍偏高，维护成本高，环境适应性差，应用范围受到限制，比如远离城市的地方由于缺少接入物联网的手段而无法很好的进行监控。

物联网技术的快速发展，势必会渗透到生活的各个领域。利用底层传感网络，无线通信网络以及互联网技术就能设计出成本低，普适性好，通用性强的无线环境监测系统，以替代传统的监测技术。该环境监测系统，只要能有无线通信网络覆盖的地方，就能把环境监测节点接入互联网，从而达到实时环境监控的目的。

3 主要设计思路

3.1系统主要设计框图

系统设计框图如图3.1所示：

。。。。。。

无线通信网络无线通信网络

Zigbee 无线网络

互联网

互联网

网络交互

网络交互

图3.1 系统设计框图

该系统的设计主要分为4个模块：

1、底层环境监测电路的设计，底层Zigbee 传感网的搭建。

2、数据中继层电路的设计，主要包括Zigbee 网络协调器与GPRS 通信模块。

3、数据处理中心的设计，主要包括互联网服务器的搭建以及服务器平台软件的设计。

4、用户终端app 软件的设计。

该系统主要完成的功能是，底层的环境传感器采集环境监测数据，主要包扩温度信息，湿度信息，PM2.5，烟雾浓度等。这些数据通过STM32微处理器进行处理，然后通过Zigbee 模块发送出去。为了扩大传输距离，减少成本，加大监测范围，Zigbee 组网采用多态组网方式，包括星状组网，点对点线型组网等，

其中的每个环境监测节点都构成一个Zigbee终端。当大量的监测节点的数据得到整合后传送到Zigbee协调器，即数据中继点。数据中继点主要实现的功能是接收Zigbee终端传送过来的数据，然后经由STM32微处理器进行进一步数据处理，分类，最后通过GPRS模块发送到网络服务器上。网络服务器接收所有的环境监测数据，进行分析，并存入数据库，而且向用户终端提供实时环境监测值。

3.2 终端物理监测节点设计

终端物理检测节点电路组成主要包括传感器、STM32微处理器、Zigbee模块。传感器主要用来采集相应的信号，在本系统的设计中采用温湿度传感器SHT10、PM2.5传感器、烟雾传感器MS5100,温湿度传感器属于数字型的，而后两者是模拟型的，由于后两者采集到的信号比较小，在这里就要对采集到的微弱信号进行放大、滤波。AD部分主要包括放大、滤波，放大电路采用INA122仪表放大器，INA122是一款精密低噪声信号采集仪表放大器，内部含有2个运放设计，使之具有非常低的静态电流的优越性，可用于便携式仪表和数据采集系统；滤波电路设计了有源滤波器，采用电容、电阻及运算放大器OP484。Zigbee主要用来发送STM32通过串口发送过来的信号，此处的Zigbee作为终端使用。

Zigbee模块主要包括了CC2530芯片以及射频放大芯片CC2591。无线信号经过射频放大电路放大后和CC2530芯片进行数据交互。CC2530本身集成了89C51的内核，具有一定的数据处理能力，并其向外引出了串口等功能。终端物理检测节点结构框图如图3.2所示：

图3.2 终端物理监测节点结构框图

终端物理检测节点实物图如图3.3所示：

图3.3 终端物理监测节点实物图

3.3 数据中继节点设计

数据中继节点电路组成主要包括Zigbee协调器，STM32微处理器，GPRS模块。Zigbee协调器主要接收来自Zigbee终端发送过来的环境监测数据。Zigbee 模块主要包括了CC2530芯片以及射频放大芯片CC2591。无线信号经过射频放大电路放大后和CC2530芯片进行数据交互。CC2530本身集成了89C51的内核，具有一定的数据处理能力，并其向外引出了串口等功能。然而考虑到CC2530主要用来接收无线数据，89C51的数据处理能力有限，在大量Zigbee终端节点存在的情况下，用CC2530去和GPRS模块进行数据交互可能会导致Zigbee协调器负担的增加，出现未知的问题，故当Zigbee协调器把各终端数据接收上来后，通过串口把数据发送给STM32微处理器，STM32微处理器再通过串口使用AT指令把数据通过GPRS模块传输到处于网络另一端的环境监控中心，传输过程采用TCP 协议。数据中继节点结构如图3.4所示：

图3.4 数据中继节点结构图

数据中继节点实物图如图3.5所示：

图3.5 数据中继节点实物图

数据中继节点采用GPRS模块来和网络数据中心进行数据交互的原因是利用GPRS业务能真正的实现无线传输，只要有通信基站覆盖的地方，就能布置该模块，在现在无线通信网覆盖良好的情况下，该监控系统能实现大范围，远距离的布置。现在通信技术已经发展到第四代，流量也越来越便宜，我们使用的GPRS 通信技术属于2.5代，虽说通信速率比较低，但对于环境监测这样的系统数据量不是很大，只需要花费很小的流量就能做到实时在线。

3.4 数据处理中心设计

数据处理中心主要接收各数据中继节点的GPRS模块发送过来的数据，把数据进行统计分类，存入数据库中，当有用户终端需要时，就把组织好的数据通过

无线网络发送给用户终端。数据处理中心软件框图如图3.6所示：

监听服务器端口，接收GPRS 模块发过来的数据信息

监听服务器端口，响应用户终端的请求，给用户提供实时环境数据

图3.6 数据处理中心软件框图

3.4.1 服务器平台的搭建

一般的大型服务器，都具有固定的公网IP 地址，在外网是可路由的。然而固定的公网IP 的数量是固定的，随着互联网的快速发展，公网IP 地址越来越少，如果想申请固定的公网IP 地址成本是很高的，一般只有大型企业，大型服务器才具有固定的公网IP 。我们一般使用的modem 拨号上网也能分配到公网IP ，但是一般是不固定的。这种情况的话用端口映射还是比较容易使一般个人电脑成为服务器。但是还是不能解决固定IP 的问题，服务器重启后每次访问服务器都要访问不同的IP 地址。如果我们是在校园里，企业等等从局域网进入互联网的情况下，局域网的计算机地址无法直接路由，分好几种情况NAT 穿透技术则要复杂的多。可能光搭建这样的一个服务器就要耗费很多精力。

我们这里使用花生壳软件。花生壳软件完美的解决了我们的问题。不管在任何地点，不管有无公网IP,只要我们的电脑装上了花生壳软件客户端，就能把我们的个人电脑端口映射到外网上去，使之成为一台服务器，并且该软件集成了域名功能，外部网络通信发起者只要向该域名发起网络请求，就能和我们的电脑进行通信。在这里我们向外映射了电脑的两个端口，分别是8000端口和8001端口，一个端口用来接收数据中继节点发送过来的数据，一个端口用来向终端用户发送数据。服务器平台软件的映射情况如图3.7所示：

图3.7 服务器平台软件映射情况图

3.4.2 服务器平台软件的实现

平台软件QT软件来进行开发，QT软件可移植性好，适用于各种操作系统平台，同时能向用户提供友好的界面。

1、服务器对外开放了两个端口，8000端口和8001端口，在QT平台下使用SOCKET套接字进行网络编程。同时监控8000端口和8001端口。通信过程中一般会使用TCP协议和UDP协议两种协议。TCP面向连接，UDP面向无连接。虽然一般的多用户聊天工具都是用UDP协议来进行开发的，但是UDP的丢包率高，而在本系统中，每次终端发起通信占用的时间比较短，前后发起又会经过一定的时间间隔，所以通信过程采用TCP协议。为了进一步避免爆发式访问服务器带来的网络拥挤，SOCKET网络编程采用多线程方式，利用分时复用的方法可以在同一时刻监控向同一端口发起的多个网络请求。

2、环境信息要和具体的地理信息结合起来才具有实际的意义。所以在本系统的开发中，为了更好的对环境节点进行监测，提供更人性化的管理界面，这里引入了地理信息系统，把百度公司开发的百度地图嵌入到我们的服务器平台软件中。服务器平台监测主界面如图3.8所示：

图3.8服务器平台监测界面

3、为了更好的对数据进行管理，方便查询与统计，本系统集成了数据库功能，把从终端接收到的数据进行处理分类后写入数据库，数据库界面如图 3.9所示：

图3.9 数据库界面

3.5 用户终端app软件的设计

Android是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统，主要使用于移动设备，如智能手机和平板电脑，由Google公司和开放手机联盟领导及开发。鉴于Android平台的广泛应用和极大的软件自由开发度，用户终端app软件首先开发了Android平台下的用户终端app软件。

该app软件同数据处理中心一样集成了地理信息系统，能向用户提供友好的人机界面，而且能向用户提供最新的环境信息。

进入app软件后，首先进入网络连接检查界面。当网络连接正常时，进入环境监测界面。网络连接检查界面如图3.10所示。

图3.10 网络连接检查界面

在确认网络连接正常后，随即进入到环境监测界面。环境监测界面如图3.11

所示。

图3.11 环境监测界面

设计中，环境监测结果采用了数字显示加上地图定位的方式，拥有数字显示方式的精确性和地图定位的直观性特点。

设计中的地图采用百度的Android地图SDK开发，具有良好的程序接口，易于实现各种功能。通过相应的程序接口，将布置有环境测量模块的监测点会在地图上标识出来，如图3.11中所示。

当点选地图上的监测点或点选“测量地点”下拉框中选择所需查看的监测点数据。选择完成后，地图上会以选择的监测点为中心放大，易于用户了解监测点周边地理环境。同时，该监测点的环境测量结果会以数秒为间隔实时显示。监测点选择示意图如图3.12所示。

3.12 监测点选择示意图

4 应用前景

本环境监测系统是基于物联网技术，与传统环境监测系统比大大降低了成本

以及安装的复杂性，维护简单。当下无线通信技术和互联网技术已经发展很成熟，本系统的开发主要在于底层传感网的搭建，然后通过现有网络技术就能把信息分享到网络上，网络服务器可以使用个人电脑就能达到目的，用户终端基于现在大量的安卓手机等智能终端，只需要开发一个app软件，所以需要的成本大大降低。该环境监系统的通用性好，小到厂区环境的监测，大到跨城市，跨地域的环境监测，都能够很好的胜任。在当下环境问题成为一个热门话题的情况下，势必会具有很好的应用前景。

5 应用扩展

当下电子产品的开发，也要着重考虑到可移植性问题，只有可移植性好的产品，才能具有旺盛的生命力，真正大大做到降低成本的目的。

物联网产品的开发，最复杂昂贵的地方还是在于底层传感网络的搭建。因为底层传感网千奇百态，应用环境复杂，势必导致接入网络的方式是各种各样的，同时上层应用软件的侧重点也是多种多样的。开发各种不同的物联网系统，势必就要增加各种重复劳动，这样就增加了开发成本和降低了开发效率，阻碍了物联网技术的发展。这也是到现在还没有真正形成一个统一的物联网标准的原因。

本系统作为一个监控系统，在设计之初就考虑了该架构的通用性。该系统主要应用于分布性的地域监控，所以在数据处理中心以及用户终端我们融入了地理信息系统。这样就可以实现地域性的对某些点进行监控。该监控系统成为环境监控系统是我们在底层Zigbee终端节点加了环境测量传感器，只要接入不同的传感器，就能成为其他监控系统。如下举两个例子说明。

1、把环境测量传感器换成火焰探测器，该系统就能成为火灾探测系统。在城市里面加装了这样的监控系统后，只要有火灾发生，通过地理信息系统就能准确的知道哪些地方发生了火灾。山区林区等植被密集的地方，也是防火的重要热点。如今很多山区和林区都有无线网络覆盖，只要有无线网络覆盖的地方，就可以加装该监控系统，可以达到实时监测火灾的效果。

2、把环境测量传感器换成振动和位移传感器，再加装GPS定位系统，把Zigbee网络部分去掉，只用GPRS模块功能，就能做成车辆防盗系统。通过地理信息系统能实时的了解到路面车辆的分布状况以及分布地点。用户终端也能实时查询自己车辆的位置信息。这样就做到了真正意义上的防盗。

综上所述，本环境监控系统具有巨大的市场价值与应用潜力。

视频链接：

https://www.360docs.net/doc/9c10813329.html,/s/1qW9IHIG