基于物聯網的智能樓宇變形沉降監測系統

二、需求分析

2.1 功能要求

本系統主要包括信息采集節點、嵌入式網關、上位機控制程序等三大部分組成。

信息采集節點包括位移傳感器或光柵尺、加速度傳感器、超聲波測距傳感器或者激光測距儀等傳感器件來采集樓宇的變形沉降信息，通過CC2530無線傳輸模塊將這些信息轉發到嵌入式網關，視功能需要也可以添加GPS模塊，結合各種傳感器實現樓宇變形沉降的精準監測。每個樓宇可設置多個基準點，每個基準點配置一個信息采集模塊，多方位采集樓宇群各處得變形沉降信息。信息采集節點可以采用電池供電，系統的低功耗特性滿足工作時間也可以長達半年，視后期完善程度可以采用太陽能電池板供電，可以充分體現環保環保意識，當然前期調試可以采用220V電源降壓供電模式。

嵌入式網關主控制板采用貴公司提供的EVK1100開發平臺，嵌入式網關匯總各信息采集節點上報的數據信息，然后經過以太網口上報到上位機，視功能需要也可以添加GPRS遠程無線傳輸模塊。嵌入式網關主控制板具備各種外設接口，可實現數據的即時顯示和用戶手動控制，并可擴展外接各種需要的功能模塊。嵌入式網關模塊可采用電池供電，或者太陽能電池板供電，或者220V常用電源降壓供電。

上位機控制程序配備后臺數據庫，存儲一定時間內的各樓宇的變形沉降信息，經程序分析處理后繪制成人性化的曲線展現給用戶，當然用戶也可發送命令隨時查看樓宇某時間的變形沉降情況。上位機控制程序可通過計算機的串口對直連的嵌入式網關模塊進行控制，也可以通過Internet網絡TCP的網絡協議對遠程嵌入式網關進行控制。

除以上主要功能外，信息采集節點和嵌入式網關模塊，均采用優化的電路設計和先進的控制策略設計，均配置有電源穩壓電路、電流電壓保護電路、光耦隔離、信號放大等模塊，以保證系統的整體可靠性和穩定性?？紤]到環保低功耗，各模塊初始配置為每隔間斷時間上報各自的數據信息，其他時間工作在睡眠模式以降低系統功耗，需要傳輸數據時喚醒各自的CPU進入工作模式。各功能模塊可方便組合實現低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自適應、可擴展的整個基于物聯網的智能樓宇變形沉降監測系統，系統整體架構如圖1，系統網絡拓撲結構如圖2所示。

圖1 系統整體架構圖

圖2系統網絡拓撲結構圖

2.2 性能要求

系統整體性能要求實現低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自適應、可擴展等基本要求，方便以后進一步完善開發，并憑借各種優越特性以利于實際的市場推廣應用。

三、方案設計

3.1 系統功能實現原理

嵌入式網關控制模塊硬件結構如圖3，信息采集節點模塊硬件結構如圖4所示。

圖3 嵌入式網關控制節點硬件結構圖

圖4 信息采集節點模塊硬件結構圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

硬件平臺選用組委會提供的EVK1100開發板，EVK1100開發板是一個基于AVR32 AT32UC3A單片機控制器的評估套件和開發系統。UC3A系列基于愛特梅爾的AVR 32 UC內核，配有512KB的閃存、一個內置10/100以太網媒體接入控制器(MAC)、一個具有OTG(on-the-go)功能的全速(12Mbps) USB 2.0接口，以及一個SRAM/SDRAM外部總線接口。是Atmel宣布推出的業界最低功耗的32位閃存微控制器系列。

主控制器芯片AT32UC3A0512能夠以66MHz的速率提供80 Dhrystone MIPS(DMIPS)的性能，而在3.3伏電壓下的電流僅為40毫安。此外，其功耗低至1.65mW/DMIPS，只是具備相同功能的其它架構的1/4，表現遠遠優于對手。這款新的微控制器專為聯網和以個人電腦為中心的嵌入式應用產品而開發，尤其適合于便攜式設備。

AVR32 UC內核采用了三級管線型Harvard架構，該架構主要為優化片上閃存的指令存取而設計。此外，它也是業內首個讓單周期讀寫SRAM繞過系統總線而直接與CPU介接的內核，從而實現更快的執行速度和周期決定過程，以及更低的功耗。AVR32 UC內核與其前身AVR32 AP共享相同的指令集架構(ISA)，其中有220多條無方式指令 (modeless instruction) 可作為16位壓縮指令和32位擴展指令使用。該ISA架構擁有獨立位(atomic bit)的處理功能，可控制片上外圍設備和通用輸入輸出(IO) ，以及定點DSP計算，如單循環小數飽和乘法及累積算法。另外，該內核還含有一個事件處理系統，可以支持優先中斷、不可屏蔽中斷及內部異常等事件，其中斷反應時間最長為16個時鐘周期。

AVR32 UC3A系列集成了許多與愛特梅爾 ARM 微控制器相同的外圍設備，包括外圍DMA控制器、多層高速總線架構、10位模數轉換器 (ADC)、2個串行外圍接口(SPI)、同步串行接口 (SSC)、雙線接口 (I2C兼容)、4個通用異步收發器 (UART)、3個通用計時器、7個脈寬調制器以及一整套監控功能。

10/100Mbps IEEE 802.3 標準以太網 (MAC) 能讓開發人員設計出可以通過互聯網協議堆進行通信的聯網嵌入式系統。USB 2.0全速 (12Mbps) 接口提供了利用各種 USB 級別接口 (例如針對串行數據通信的人機接口設備；或針對更大規模數據傳輸的大容量存儲器) 與現今的 PC 架構通信的方法。由于UC3A USB外設的OTG功能提供對USB閃存盤、指針設備或打印機等標準USB設備的支持，因此讓以PC為中心的計算環境得以進一步集成。

外部總線接口(EBI) 將可尋址(addressable)的物理存儲器擴大到16MB。其非復用的16位數據總線能夠與高密度的外部SRAM、SDRAM、ROM、閃存器件以及如LCD或FPGA等存儲映像器件連接。

UC3A系列微控制器擁有一個6層高速總線矩陣，該結構使總線主外設能夠以66MHz每秒264MB的最高速度同時訪問任何總線從設備。這些總線主控設備（master）包括AVR32 UC核數據和指令接口、15信道外圍DMA控制器，以及幾種高速外圍設備，如以太網MAC和USB?？偩€從設備(slave)則為片上SRAM和閃存、USB、2個外圍總線橋，以及外部總線接口。