物联网期末设计

实验日期：2016年春学期报告日期：2016/4/19实验设备：物联网基础实验平台E-BOX300、PC一、物联网沙盘平台的介绍及组成①平台介绍：物联网沙盘平台集成了多种传感器模型以及多种无线组网模式，可实现多种物联网构架。E-BOX300沙盘平台包括了硬件设备、软件资源、实验资源三大部分。硬件设备标准配置包括了7个zigbee无线节点模块、6个传感器模块、RFID模块、ARM网关和其他配套设备。软件资源包括无线传感网络软件、ARM网关软件和实验平台管理软件，实验资源采用由简单到复杂的设计模式，能够很好的引领学生掌握物联网的开发要领，开发出更多实用性强的互联网应用模式。该沙盘平台的技术构架可以分为三层。感知互动层，网络传输层和应用服务层。感知互动层主要包含了各种传感器以及传感器网关，用于识别物体和采集信息，对信息进行初步的融合。网络传输层包括接入层和核心层两个子层，主要是由zigbee和以太网所组成，用于信号的传输和控制。应用服务层是物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能运用。②平台组成：硬件设备：ARM网关：拥有丰富的接口资源，支持3G，wifi，CMOS摄像头、ZigBee、RFID模块的接入。提供各模块的调试程序。支持Linux，Wince,Andriod；客户端程序能够完成对传感网络的参数配置，并通过wifi、以太网完成向远端服务器进行数据传输；支持7寸触摸屏。Zigbee+传感器采集模块：实现了对各种传感器模块，包含温度，湿度，光感，三轴加速度，压力，烟雾，红外对管传感信号的采集。各种传感器模块统一接口与Zigbee模块底板连接，通过Zigbee自组网完成对各种传感器信号的采集、传输以及控制。RFID模块：具有读取卡中的数据的功能，可以用于一卡通，考勤机等系统的二次开发。光感传感器：可以在所有光源下工作，能够感知周围环境光的情况，并能够对采集到的光信号进行输出，从而使效应器对周围环境光的变化而做出相应的反映。加速度传感器：加速度传感器可以感知x，y，z三轴方向的加速度并进行信号的输出。我们可以通过三轴方向的加速度值的获取和分析，可以应用于指南针，静态方位检测，实时运动分析等，从而利用这些数据对被控对象做出控制。气压传感器：气压传感器属于压力传感器的一种，是一种在工业实践中最为常用的传感器，主要是利用压电效应制造而成，也有用压变效应制成的压变式传感器。可以用其来感知气压的变化，通过分析气压的变化从而来制作高精度高度计，应用于只能手机，导航和气象站装备。温湿度传感器：其中包含了温度传感器和湿度传感器，可以分别用来感知环境中的温度值和湿度值。温湿度传感器广泛用于工控行业等需要对温度进行控制的领域。在这次课程中，我们也利用了温度传感器来设计实现APP可控恒温系统的闭环控制。烟雾传感器：温度传感器可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置。该传感器探测范围大，可用于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾的探测。可以用于对周围环境进行保护的作用。可用于组建消防报警系统。门磁传感器：该传感器由传感器、磁块两部分组成。当小磁块远离传感器的时候，门磁传感器就会发出警报。该传感器可以用于家庭安防，可以用来监测家中的门窗是否被非法打开。红外接近传感器：红外接近传感器与其他传感器不同之处在于其他传感器接收的都是来自外界环境中的信号，而红外接近传感器接收的是来自自身发出的信号。该传感器中有一个红外发射二极管，能向外界发出红外信号，当传感器前方有物体接近的时候，就会在前方的物体上反射红外信号，这样就能够感应出前方是否有物体接近传感器。其他设备：小灯泡：模拟照明用的小灯泡，也可以根据其他传感器读数的变化做出反应，充当与用户交互的作用。继电器：继电器在沙盘中主要用于控制小灯泡的亮灭。在实际的运用中，我们也可以用一个较小的电流来控制一个有较大电流的用电器。步进电机：用于控制窗帘。可以控制步进电机的电流大小从而来控制其转速，从而用于控制窗帘开合的速度。小风扇：可以根据pc端的指令来控制小风扇的开关，来模拟真实场景中的电扇。加热小电珠：用于加热周围环境温度，从而改变温度传感器温度，和温度传感器一起构成一个用手机端app控制的恒温闭环控制系统。红外遥控指令显示模块：可以模拟一些设备对红外遥控指令做出反应。Zigbee网关上还提供了wifi模块、摄像头模块和3G模块，但由于在课程中并没有用到这些模块，所以就不做展开。软件平台：（SmartHomeIOTdDesigner）SmartHome：是针对大唐E-BOX300设计开发的一套综合设计软件。用户可以在PC端上更改查看各种参数。并能够通过zigbee来进行对传感器数据读取和对一些设备的控制。IOTDesigner：基于Qt开发，具有跨平台的特性。整合了EBox300的沙盘平台的模拟系统和实景教室的实际系统的软件接口，使得我们的设计可以不做任何修改直接运行在模拟系统或实景平台上。同时，优化了SmartHome上的一些缺点，如数据采样率不能设置小于1秒；打开和关闭某个传感器的数据采集不方便；综合设计功能过于简陋且bug众多；在模拟系统下设计的流程无法直接运行于实景系统，需要做较多的修改。软件界面分为4个选项卡：第一个为欢迎界面，第二个是信息与设置页面，在该页面可以看到各个传感器和控制的状态，控制传感器数据的采集与否以及采样频率，设置并记录各控制器与实际设备的绑定。设置连接参数及启动联机等。第三个是信号采集与显示页面，在该页面以图表的形式显示了我们关心的传感器所采集到信号的变化第四个是综合设计页面，在该页面我们以传感器信息为输入，控制的控制值为输出来进行非常灵活，同时也是相对复杂的流程设计。二、闭环控制系统的设计原理和实现1.实验要求：利用沙盘中的电珠和温度传感器，实现利用手机APP实现的恒温系统的闭环控制。2.实验目的：通过闭环控制，用手机APP设定一个值，当温度低于这个值的时候，电珠点亮加热，当温度高于设定值的时候，电珠灭，通过自然冷却来使温度回落于设定值。从而使温度稳定在该设定值附近。3.实验原理：主要通过以下模块以及循环来实现闭环控制图一图二图三图四这里采用了三个顶层，图二所显示的画布主要是来用于手机APP端的信号的接收。手机中所输入的温度，通过这个顶层读取进来，并输入到全局变量cmd中。图四是一个数据类型的转化，我们从手机端输入的信号为字符串类型，而到最后我们要用的是整型，所以我们在图四中加了一个格式类型转化模块，把cmd中的字符串变量转化为整型变量。图三中所展示的顶层画布中包含了温度传感器的读取，一个比较运算和一个条件执行语句。通过温度传感器所采集进来的温度，通过与全局变量T（也就是手机APP所输入的温度）进行比较，若环境温度低于设定温度，则在条件执行框中执行电珠亮的命令。当环境温度高于设定温度的时候，则在条件执行语句中执行电珠暗的命令。通过这样的循环来把环境温度稳定在从手机端的输入的温度值附近。4.实验结果：图一图二图三实验结果如图所示，图一图二展现的是，开始实验时，用移动终端输入温度控制值30℃，环境温度低于温度控制值，所以电珠点亮给温度传感器加热。当环境温度超过30℃时，电珠熄灭，传感器温度下降，当下降到低于30℃时，电珠又重新点亮，开始加热，如此反复。从而使温度稳定在30℃附近。图三表示的是我们在开始实验的时候，环境温度高于我们设定的温度，这个电珠不亮，当温度降到我们的设定温度时小电珠亮了，温度超过30度时小电珠又灭了，这个时候我们通过手机APP来提高预设温度，然后小灯泡又再次点亮。4.实验结果评价和总结：该实验通过多次的反复更改和调试终于达到了预期目标。我个人觉得该实验的主要难点在于APP端的温度设定值的读取。由于，我没有Android系统的手机，所以用的是在PC上的一个软件来模拟手机APP。所以在用的时候，不能像老师演示的那样正确地输入端口地址，但是在多次询问更改调试后，还是成功完成了这次实验。优点：该实验有这非常重大的现实意义。我们可以把这个APP控制的恒温闭合控制系统移植到我们的现实生活中来。如，我们可以从手机端来控制温度，可以很好地起到节能的效果。如我们可以提前控制室内的温度变化，当我们真正进入室内的时候，室内温度已经达到了我们的预期值等。缺点：该实验的缺点在于，由于实验器材所限，我们只能用于对周围环境的加热，而不能制冷，使得该实验的功能有点单一，而且在做实验的时候，我们通过手机APP设定的温度，只能比环境温度高，不能比环境温度低，否则就没有效果。但我个人决定，这些弊端都是由于实验设备所限，在理论上还是很容易实现的。三、手势控制系统的设计和实现1.实验要求：通过利用加速度传感器，通过手的左右滑动（或者手的左右倾斜）来实现对音量的增减2.实验目的：自行设计检测和控制逻辑，实现左右倾斜的手势控制App播放音量的增减3.实验原理：在顶层画布中首先设置一个全局变量vol，先设置它为某一个特定的值。然后我们又设计了两个顶层模块；两个顶层模块分别为图一，图二图一图二在图一中，我们设置了一个加速度传感器的数据读取的模块，通过这个模块，我们可以读取到x，y，z轴三个方向的加速度值，后面连接的是两个手势监测模块，其分别可以监测到加速度传感器是向左倾斜还是向右倾斜，并分别输出不同的结果。我们当时的设计是先对vol初始化，比如说是40.然后运行程序，当传感器检测到向左倾斜，vol值加一，如果检测到向右倾斜，vol值减一。因此在这个顶层最后加了两个条件执行模块，分别来判断和进行这步操作。这是第二个顶层画布，这个顶层画布的主要目的就是用来实现本机端的处理所得的数据向APP端的发送，因此在这里主要是应用了Usend函数模块，来进行功能的实现。4.实验结果：该试验在最后向老师展示的时候运行得很成功。一开始vol会有一个特殊值，然后随着加速度传感器的左倾，vol值增加，随着加速度传感器的右倾，加速度传感器的值减小。5.实验结果评价及总结：这个实验总体来说是挺成功的一个实验。基本上我们可以实现用手的倾斜来控制vol的大小。在最后给老师检查的时候运行的也是比较顺利的。虽然在进行整个实验设计的时候还是遇到了不少的小问题，但最后还是都给解决了。缺点：我感觉这个设计最大的不足之处在于加速度传感器还是不够灵敏，当手一直向右倾斜的时候，它一开始vol会减小，然而过一会儿就不动了，需要把传感器回平过一会儿才能继续做出反应。优点：这个设计达到了基本的预期，如果上述缺点都是由于传感器的原因的话，随着传感器精度的提高和采样频率的增加，这些问题都是可以解决的。而且，这个实验还有着非常大的现实意义，将来可以推广并运用到现实生活中去，比如运用到智能家居中，能够更好地方便我们的生活。