基于物联网的室内温度采集器探讨

论文价格:50元/篇 论文用途:硕士课程论文 Master Assignment 编辑:vicky 点击次数:
论文字数:35225 论文编号:sb2021091713415538184 日期:2021-10-04 来源:硕博论文网
笔者认为随着时代的进步和电子技术的不断发展,在物联网的兴起和单片机的普及大潮中,采用单片机控制以及物联网技术进行实训室室温实时采集及监控。本次设计的成果可发展成我今后教学工作中的一个教学实训项目,发展这个教学项目的目的在于引导学生学习专业知识,触发学生的学习热情,还可以充分使用实训室内的实验台等设备进行设计,有助于提升本人在本职工作的业务水平。在应用层面上,这一设计还推动了实训室室内温度测量向着数字化控制,智能化控制方向发展。

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义
当前,物联网被称为继计算机和互联网之后世界信息产业的第三大浪潮。物联网产业规模是互联网的 30 倍,是一个万元级的产业。物联网概念受到各个国家政府官员和企业家的重视,比如:美国提出了智慧地球概念,中国提出的“感知未来”概念,日本和韩国的“u-Japan”和“u-Korea”,都体现出物联网发展的重要性[1]。
物联网技术是在既定的协议框架内,依托高科技信息传输设备将各种物品信息整合到互联网中,并借助互联网的技术优势来实现对各类信息的交换和链接,同时,通过对各种信息的定位、辨识、监督、控制等,来构建出一种信息化的网络管理体系,并广泛的应用于各个行业领域,可实现智能交通、智慧物流、信息农业、远程医疗和智能电网等[2]。在电子技术飞速发展的同时,消费类电子产品和网络通讯技术的有机结合,衍生出了以现代化信息技术和网络技术为支撑的 3C 类电子产品,并成功推动家用电子产品朝着智能化的方向发展[3]。
本系统所设计的物联网系统基于 TCP/IP 协议,应用 SPI 转以太网技术将电子设备与 Web 相结合,实现对实训室内温度的远程监测,使得用户终端设备的通信范围得到了极大幅度的提升,扩展了终端设备的功能。结合高科技发展的时代特点,本系统利用消费电子产品与计算机通信技术结合在一起,通过物联网实现室内温度的实时数据采集,并通过物联网将实时数据传送到指定的地方,从而实现实训室的室温实时监控。
本次设计基于物联网技术的基础,结合室内温度采集器的特点,通过实时的温度传感后,将感知到的室温通过物联网作为载体,实现对实训室的室温进行实时远程监控,便于实训室管理员完成管理实训场地和实训设备的任务。结合物联网的发展大潮,对基于物联网的室内温度采集器进行研究还可以应用到实践教学中,不仅实现远程监控室温管理实训室的效果,更能将所学技术结合到教学业务中,学生在学习过程中也能切实了解到高科技的发展对实际生活的影响,从而激发学生对学习高新技术的热情。
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1.2 国内外的研究进展
中国物联网政策日趋完善,产业逐渐成型。国内物联网产业的发展经历了学习研究、政府推动以及业界应用推广阶段。2009 年,在前国务院总理温家宝提出“感知中国”以来,全国各级地方政府不断加大对物联网产业的政府扶持和财政补助力度。2012年,我国工信部在其颁布的《关于我国物联网产业在十二五期间内的发展规划》中明确指出:在十二五期间,我国政府部门会不断加大对物联网产业的财政支持力度和政策供给力度,通过扶持 100 个物联网龙头级企业,来推动物联网产业资源的有效整合,并构建物联网产业集群化发展模式。截止 2014 年底,我国已经构建出 5 个物联网产业示范基地,并依托 RFID 技术,构建了航空运输全生命周期的物流跟踪服务体系,使信息化管理技术贯穿了航空物流运输和客运运输的所有环节,有效提高了物流分拣效率,进而大量节约了航空运输货物的人力成本[4]。
随着硬件制造技术的不断发展,物联网企业的技术实力不断增强,使我国物联网产业的建设进入到快速时期。在我国物联网信息化建设不断深化的背景下,近年来国内物联网发展迅速,涌现出大量与物联网相关的信息化管理技术和电子电气设备。在物联网技术的支撑下,家用电器的信息化程度不断提高,并在价值空间和产品服务方面获得了进一步的提升,智能化家具家电已经成为主流的发展趋势。阿里巴巴是我国最大的电子商务平台,其在 2014 年与美的公司签订了战略合作计划,将借助阿里云物联网平台的强大开放性和高效性,来构建家电智能化控制和交互体系。360 和小蚁(小米入股)也于 2015 年上半年先后推出智能摄像头。2015 年,杰升科技有限公司在物联网创业大会上提出要通过开展 B 轮融资计划,从社会资本或金融机构中募集 2 亿元人民币。这是物联网产业形成以来的第一次大型融资活动。
国内物联网市场规模预测,在信息化通信技术和电子传感技术快速发展的过程中,物联网产品的技术含量不断提高,其功能性也日趋丰富,大量相关产品不断涌入市场,据有关部门预测,未来 20 年的时间内,物联网产品发展和应用将达到最快的成长阶段。2010 年时,全球物联网产品的年销售规模将达到 3 万亿美元以上,届时将会有 250 亿台智能化物联网系统会投入应用,全球互联网用户的规模将扩大至 44 亿人。2015 年 7月,美国 McKinsey 发布了关于物联网市场的调查报告,报告中明确指出:2025 年到来之前,全球物联网产业的市场规模将达到 3.9 万亿至 11.1 万亿美元之间,全球物联网产业的经济规模在全球经济总规模中所占的比重将达到 11%左右[5]。同时,以城市管理、工业生产、智能家居、汽车驾驶、物流运输、消费支付、信息化办公、医疗健康为主题的物联网产品销售规模将呈现出爆发式的增长势头。
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第二章 基于物联网的室内温度采集器设计方案

2.1 应用环境介绍
本次设计来源于我本职工作中的工作环境,我在粤西地区一所中职学校任教超过 5年,任职期间一直在担任学校应用电子专业实训室管理员。我所管理的实验室是一间电子线路仿真实训室,其承担包括了 EDA 仿真实训、电子电路焊接实训以及各类电子仿真软件实训等教学任务,是一间集多功能于一身的综合类应用电子专业实训室。该实训室占地 190 平方米,设备总值达 91 万元,是学校现有的电子专业实训室中占地最大且设备总值最高的一间实训室。该实训室的设备包括多媒体教学平台,自由度机械臂机器人 1 台,专用电脑 30 台,现代电工电子仿真实验实训台 20 台,EDA 实验开发系统实验箱 30 套,微控制器仿真实验实训台 10 台,各种电路板和电子元器件等。实训室的实景图如图 2-1 和图 2-2 所示。
图 2-1 实训室实景图一
图 2-1 实训室实景图一
本实训室占地面积大,设备数量多,设备总值高。众所周知,电子设备保养维护有防潮防高温等方面的要求,该实训室位于实训大楼的顶层,且东西向都有面积较大的玻璃窗。由于地处粤西地区,实训室白天的阳光非常充足,夏天的温度容易超出设备的承受能力。但管理实训室的同时,实训室管理员也担任应用电子专业的任课教师,因此管理员并不能时刻在实训室内完成室温监控工作。由于近期学校也在引进物联网技术,筹建物联网实训室,基于本实训室管理的需求,结合学校发展新技术的趋势,拟通过物联网技术设计室内温度采集器,通过室温温度数据采集并发送数据到管理员的电子设备上,实现管理员远程监控实训室的温度,并保障实训设备的安全。
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2.2 设计需求分析
为了设计出切合用户需求基于物联网的室内温度采集器,将从用户需求出发,切实考虑到每项功能该如何去实现,在设计上采用合适的技术支持。制定设计需求要根据实际情况出发,包括现有的资源和操作方面的可行性[7]。
针对实训室的管理要求,并结合中职生的教学要求,本设计选用的技术需要原理简单且操作性强。根据本次设计用于实训室室内温度监控,并及时发送数据到管理员电子设备,要先选定采集数据所用的温度采集功能模块,采集到数据后经过单片机的处理,经过以太网模块传输到网页上显示一天内的温度情况,如果温度超过了额定温度,则推送即时信息到管理员的移动电子设备,提醒管理员采取相应的应对措施。本次设计中的硬件部分主要由温度传感器、单片机模块、以太网模块等部分组成,结合我所任职学校大力发展物联网技术的趋势,在物联网技术的基础上,通过 Socket 通信和 MySQL 数据库等完成软件设计,充分利用本职工作中的教学资源和学生资源完成本次设计,务求将简单技术结合成为一个可辅助本职工作发展的项目。
由于本次的设计是基于物联网技术,首先要了解物联网及其工作原理,才能将该技术切实地与本设计结合在一起。物联网主要以互联网技术为中心,以计算机硬件设备为载体,通过物联网域名,将任何物品的信息转化为数据资源,并与互联网链接,通过信息的交互和通信来实现对各种数据的智能化监控、识别、管理等,是一种先进的网络信息化管理概念。物联网基本网络是由感知层、网络层和应用层三大部分组成,这个与互联网的层次架构比较相似。感知层的程序主要安装在计算机端,但对事物信息的感知主要依托网络信息技术来完成,能够对事物的信息进行收集、采集、读取、识别。网络层主要由信息感知层、网络数据控制层、信息管理层、数据识别层等构成,其主要的任务就是将信息感知层收集和识别的信息传递给目标设备或程序[8]。要想使物联网具备实时数据传输功能,还需要突破物联网的网关,因为网关层汇聚着大量的物联网信息,同时连接着传感网络与公共传输网络,在传感设备数量不足的情况下,仅需将其与公共网络对接,即可从网络中查询和下载目标的信息资源。
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第三章 基于物联网的室内温度采集器硬件设计...................... 15
3.1 单片机模块..............................................15
3.1.1 单片机选型分析........................................15
3.1.2 单片机模块电路设计......................................16
第四章 基于物联网的室内温度采集器软件设计............................. 43
4.1 软件设计方案............................................43
4.2 服务器设计.........................................44
4.3 数据库设计...........................47
总结与展望...............................54

第四章 基于物联网的室内温度采集器软件设计

4.1 软件设计方案
本设计是用于实训室的室内温度监测,温度传感器是采集温度数据的关键部件,采集到的温度数据再通过软件进行处理,最后将直观的温度数据显示在 Web 网页上,供实训室管理员实时了解实验室温度情况。软件的设计需要从温度数据流向出发,根据温度数据的处理需求,制定各个部分的设计方向。
温度的实时数据由硬件部分的温度传感器采集而来,温度传感器和单片机终端通过硬软件结合起来,单片机终端向温度传感器定时发送检测指令,温度传感器再给单片机终端回传温度数据[19]。详细的温度数据流向如图 4-1 温度数据流程图所示。
图 4-1 温度数据流程图
图 4-1 温度数据流程图

本设计选用 W5100 以太网模块连接服务器和单片机终端,需要通过 TCP/IP 协议实现通讯,而服务器和 Web 客户端则通过 WebSocket 进行实时通信。接下来将从每个模块所使用的技术出发,对服务器、数据库和客户端进行模块化分析。
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总结与展望


本次设计是基于物联网的温度采集器,设计主要是应用于我在本职工作中管理的应用电子专业实训室,而且充分利用工作环境中的资源,将设计融入到我教学工作中。
在设计中,借助我所任职学校大力发展物联网技术的契机,将物联网技术结合硬电路完成本设计。硬件部分主要由单片机模块、温度采集模块、以太网模块等部分组成,通过 WebSocket 通信和 MySQL 数据库等完成软件设计,充分利用本职工作中的教学资源和学生资源完成本次设计,务求将简单技术组合成一个辅助本职工作发展的项目。接下来,针对本次设计进行总结如下:
一.本次设计采用了模块化来设计,根据不同模块的功能需求,在每一个元件的选择,如单片机、显示屏、温度传感器等都尽量选择性价比高的产品,并满足设计的性能需求[30]。比如使用了 DS18B20 传感器后,温度采集模块变得简单易懂,大大提高了系统可靠性的同时,还可将本设计成果应用于中职学生的教学中。
二.在设计硬件电路的过程中,特意为单片机芯片留出了足够的管脚空间,这为后期的功能扩展奠定了良好的基础。在通用化思想的引导下,通过对软件进行模块化处理,将系统中的各个功能设计为独立运行的程序,使主程序能够通过对功能标志的判断,来估算程序的运行过程。
三.本设计的远程监测室温部分主要是通过以太网连接。在远程监测方面,需要进行物联网方面的设计,这一设计就结合到我所工作的学校大力发展物联网专业的大趋势。因此,本次毕业设计不仅仅是我求学过程的一项研究,更是毕业后可将设计成果作为本职教学工作中的一项实际应用,争取将本次研究发展成我任教课程中的一项实训项目。
随着时代的进步和电子技术的不断发展,在物联网的兴起和单片机的普及大潮中,采用单片机控制以及物联网技术进行实训室室温实时采集及监控。本次设计的成果可发展成我今后教学工作中的一个教学实训项目,发展这个教学项目的目的在于引导学生学习专业知识,触发学生的学习热情,还可以充分使用实训室内的实验台等设备进行设计,有助于提升本人在本职工作的业务水平。在应用层面上,这一设计还推动了实训室室内温度测量向着数字化控制,智能化控制方向发展。
参考文献(略)


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