自动化系统竞赛初级培训1

1、自动化系统竞赛初级培训创新方案学院：电气信息工程学院班级：自动化1401姓名：肖暖暖学号：541401010143产品名称：无线温湿度检测仪产品功能简述：该产品着眼于温度湿度数据的检测和记录，可采用自动化程度较高的有线温湿度传感监测网络的，它是通过金属线缆将控制终端、采集分析器、温湿度传感终端等监测网络各部分连接起来，来控制观测温度湿度的变化。一、 该产品的目的、意义。众所周知，河南省是农业大省，农产品产量位居全国第一。但是农产品的储存也是一大问题，如果过潮过热，农产品就会腐坏，一旦无法发现，会引起大量的农产品连锁腐坏。我家是农民，对我们来说，一旦作物储存出现问题，不仅是卖不了好价钱，很有可能

2、一年的辛苦血本无归。所以，我有了无线温湿度检测仪这个想法。目前粮食储存尤其小地方的管理方面还是比较落后的，一般都是采用人工方法，由库房管理人员定时到各储存处查看和记录温度湿度数据，定期进行防水、防盗措施的安全检查，很显然这种管理方法工作效率低、可靠性差。为了保证农产品的长时间存放，我国各地各级的粮食储存馆对储存粮食的库房温湿度环境有着非常严格的要求，温度一般控制在1424，相对湿度控制在45RH60RH，粉尘颗粒浓度要控制在国家PM2.5标准之内。但是受到经济地域气候等各种条件的限制，我国各地各级粮食储存馆不同程度上采取了不同的温湿度检测手段，如在库房中放置温湿度记录仪检测，定期检查，人工抄录

3、数据。这种方式原始简单且费时费力，并且温湿度记录仪的精度较低，导致记录数据出入较大，不能准确反映库房温湿度状况，对粮食储存形成不利影响；也有采用自动化程度较高的有线温湿度传感监测网络的，它是通过金属线缆将控制终端、采集分析器、温湿度传感终端等监测网络各部分连接起来，可在库房单点或者多个点布置温湿度传感器终端，所有传感器终端连接到数据采集分析中继器上面，再由计算机终端进行信息显示，形成报表，打印输出。但是这种有线连接方式不适合粮食储存馆系统安全技术要求，安装检修繁琐，成本昂贵，需要对储存馆墙体打洞改造，对封闭性造成安全隐患。无线传感器网络是当前国际上备受关注的由多学科交叉的新兴前沿研究热点领域。

4、传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、分布式信息处理技术以及微机电技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户，从而实现“无处不在的计算”理念。可以预计无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活和产业变革带来极大影响和产生巨大推动。无线传感器网络节点的一个重要特征就是低功耗、低成本和小体积。无线传感器网络是一种特殊的自组织(Ad-hoc)网络，可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对

5、区域)和一些临时场合(如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏)。它不需要固定网络支持，具有快速展开，抗毁性强等特点，可广泛应用于军事、工业、交通、环保等领域。无线传感器网络的典型工作方式如下：大量传感器节点散布在档案馆各个区域之内，节点通过自组织快速形成一个无线网络。节点既是档案馆各类环境参数信息的采集者和发出者，也充当信息的路由者，采集的数据通过多跳路由到达网关。网关(一些文献称其为SinkNode是 一个特殊的节点，可以通过Internet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。图1 无线通信网络系统结构示意图二、 产品亮点1. 本产品设备包含数据中心和无线传感数据网络，其中数据中心由数据服务

6、器和软件支持产品组成，数据中心能够实时存储来自各个无线传感终端设备或者中继设备或者网关设备数据，能够通过GPRS或者3G网络提供互联网外网用户数据访问，数据中心界面能够实时显示数据变化和交互，能够实现数据云端网络控制功能，能够支持数据仓库存储海量数据，支撑数据挖掘，数据中心部件能够提供数据接入访问接口API功能等。2. 无线传感数据网络由终端设备、中继设备和网关三类硬件设备组成，要求它们具有网络自组织管理能力，在电池供电模式下能够超长运行时间，终端网络硬件的后期维护管理便捷，能够利用互联网远程指令控制，传感终端设备能够精确获得现场指标传感数据，数据传输安全可靠。硬件安装方便，硬件耗能低，可充电

7、电池循环使用，绿色节能，远程升级固件程序,易于维护，多路传感器接入和集成，传感器采用插件式结构，新增或更换传感器方便，电源能量检测，自动上传到服务中心，个性化信息远程配置，自动加入组网，专用安全工作密钥，专网识别。入侵防范。网关设备作为数据中心与传感数据的交通枢纽，安全数据传输，人性化远程管理，自动无线网络管理。3. 终端以及中继设备必须采用电池供电模式，并且具有低微功耗能力。由此我们采用如下两项设计指标要求：（1）采用最简化的硬件电路设计方案组建无线传感终端设备硬件。（2）系统能够保证终端设备大部分时间都处于休眠状态，其采集现场传感数据以及数据传输仅仅由中继或者网关指令控制，达到低微功耗目的

8、。三、产品设计方案本产品从粮食储存馆库房安全管理角度设计粮食储存馆库房无线传感检测网络系统，系统设计的目标是完成电池供电终端无线传感有条件数据采集和传输，终端数据能到达中继或网关,由其转发至服务器，终端电池供电可持续两年的时间约束。(程序尽量降低运行功耗,达到节电需要)。服务器网站或软件主要是用于数据存储，展示，提示，配置等工作，提供人机交互接口。通过网关节点进行数据交互。数据中心（服务器）可以采用台式电脑设备或者手持式触摸屏系统，项目组成员将根据用户需求最终确定，但是都需要服务器具有快速响应能力和较大的数据存储容量。传感器、中继以及网关设备的关键部件计划采用XBee-PRO DigiMesh

9、 2.4G模块组成，利用MSP430单片机作为主控芯片完成要求的功能，利用3G或GPRS做为外网传输。无线监测传感网络系统组成如图2所示。图2 无线监测网络传感系统结构图为了保证无线连接的准确性，我们可以做到以下方案：(1)网关发起通信要求由网关定时触发,向所辖中继网络发布更新传感数据指令.在接收一个完整终端节点数据后,向服务器提交更新，此过程在每一个传感终端设备上面循环叠取，直到所有的无线传感终端设备都被巡检一遍。在此模式中所有的无线传感终端设备只有在接收到网关指令后才被唤醒，其余时间内都处于休眠状态。(2) 中继发起通信要求由中继器指定触发无线传感终端设备,向所辖终端设备网络发布更新传感数

10、据指令，在接收一个完整终端节点数据后,向服务器提交更新。此过程在每一个传感终端设备上面循环叠取，直到所有的无线传感终端设备都被巡检一遍。在此模式中所有的无线传感终端设备只有在接收到网关指令后才被唤醒，其余时间内都处于休眠状态。(3) 无线终端设备发起通信要求定时时间设置到无线终端设备模块中,它们定时触发,自动采集传感数据后,自动上传到中继节点.由中继层转发到服务器。该模式的优点是管理方便，但是其存在着重要缺陷，在无线终端设备数量较多时,定时一致,工作触发不完全一致,那么它们会不断向中继器提交数据,中继器会一直处于接收处理数据状态，非常不利于设备省电，这样的话就达不到中继设备低微功耗技术要求。工

11、作序列分成三类A.信息处理类别由服务器发起(需支持双向),向网关节点发送信息,广播网络A.1. 基础信息查询格式: GetNodeA.2. 基础信息更新如图中A部分,可以更改到网络中任意一个节点(ID不能更改)格式: UpdateDataB.定时状态更新类别按中继发起办法,如图3中B部分.中继向终端广播信息,收集并转发到网关,在处理数据期间不能响应网关指令.在传输完单个节点后,可以取消.C.特别处理网络中没有中继节点,只有网关的处理.终端直接向中继传输.图3 网络设备工作序列协同示意图、3网关节点设计该节点用于接收来自于中继节点的数据,将数据通过GPRS或3G,提交到服务器，它上承服务器,下启

12、中继节点,是信息枢点折合转输环节。网关面对多个中继节点,可能面对多个终端节点，它需要通过节点ID来进行区分和识别。图4 网关通信过程示意图其通信办法设计为服务器与网关之间可以选择使用GPRS的TCP/IP模型通信或GSM文字短信方式。网关与中继之间使用XBEE.AT指令来完成。其硬件连接方式可以采用一个GPRS模块与MSP430 串口通信,中继接收数据方式或者一个XBEE与MSP430串口通信，中断触发方式接收数据。网关设备之间的交互办法可以采用GPRS通信实现网关与服务之间的交互活动，网关与其它设备之间采用XBEE协议通信。4中继节点的设计中继节点要求能够定时触发查询终端传感状态，接收来自终

13、端的信息，空闲时响应网关信息。同时重要的是中继设备能够具有定时睡眠功能，在唤醒状态下，进行广播，收集终端节点信息或者向终端节点索取传感器信息，收到信息后，能够向主机节点传送数据。图5 中继节点设计示意图中继设备的通信采用XBEE通信方式.AT指令实现中继与终端之间的通信功能，中继与中继之间不没有数据转发需求，可以不支持。中继设备的硬件连接采用一个XBEE模块与MSP430串口通信，中继XBEE异步收发接收完成数据通信。并且在进行数据传输时，以单个完整终端节点为单位传输，不可分割，视为原子操作。在进行原子操作期间不能响应网关请求，此刻应立即返回系统忙信号。如图以下，即为所设计的方式据设计来看其功

14、能如表所示序号功能名称说明备注TER_REQ01终端基础信息1节点ID和名称可调2节点出厂序列号出厂后不可调3传感器类型，名称，有效工作阈值，使能标志，传感ID(若传感ID厂商有)可调4监控状态使能标志可调,默认:关闭5在监控状态下，数据采集间隔时间(MS)可调,默认: 最小1000ms6不符合阈值传感数据发生次数7连续工作时间8电池电量REQ02XBEE设置终端信息本机信息更新REQ03XBEE获取终端信息本机信息提取REQ04XBEE获取传感信息当指定中继ID时,将返回多个终端数据；当指定终端ID时,将返回一个指定终端ID的数据；不指任何ID时,将把该网关下的所有中继和终端数据回传.可选指

15、定IDXBEE获取传感信息REQ05主动传感信息在监控状态下，检测到有非法数据时，主动传送。+电池电量主动传感信息REQ06维护模式传感器检测指定传感器维护模式四、商业计划书 4.1 市场需求分析 4.2关键问题考虑（1）定时数据传输问题那么如何做到中继器和终端设备精确同步，在设备间数据通信时不会发生中继器与无线终端设备通信失败，或者无法连接，或者中继器漏检终端设备，或者新加入系统的无线终端设备无法被中继器识别等问题。（2）无线传感终端设备如何在网络中添加和删除问题在无线传感网络系统中每一个无线传感终端设备都有自己的ID号码，据此ID编码中继器或者网关设备识别无线传感终端设备的。一旦某个无线传感终端设备出现故障退出网络系统，需要考虑如何删除该终端设备而不会影响其他终端设备的正常工作或者休眠状态以及其他终端设备的状态切换问题。4.3应对策略产品研发过程中一定要保证产品的稳定性以降低后期维护所需的费 用，在此基础上以较低的利润率做好产品推广，在产品在市场中销售稳定、经使用 后反响良好的前提下进一步扩大利润率，逐渐占领农产品储存维护的市场。设计无线传感检测网络系统，服务器可以采用现代成熟P