论文研究-基于物联网的能耗监测系统 .pdf

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基于物联网的能耗监测系统,柯铭,刘凯,节约资源和保护环境是我国的基本国策。随着计算机和通信技术的发展,物联网技术的应用范围也越来越广,物联网技术已经成为节能减
山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图1实验所用LoRa传输模块 Fig 1 LoRa transmission module used in the experiment 表1IoRa无线传输基本参数 Tab. I Basic paramctcrs of LoRa wireless transmission 工作频段410441MHZ共32信道芯片方案 LoRa扩频方案 工作电压 DC2.5~5.5V 通信接口 UART(兼容3.3V-5VTTL电平) 工作温度 -40~85℃ 波特率 1200-115200bps8级可选 发射功率 30dBm(1000mw) 空中速率 0.3-19.2kbps6级可冼 发射电流 480mA 尺寸大小 23*43mm(不包含SMA座) 接收电流 16mA 封装类型 1*7*254SIP(带定位针脚 待机电流 1.5uA 天线类型 外螺纹内孔SMA天线座 2物联网应用中的关键技术 物联网应用只有广涸的前景,并且随着制约其投入实际应用的一些关键技术的成熟,物 联网的应用会越来越多。 高精度传感器是物联网应用中的关键技术。计算机处理的都是数字信号,而传感器直 接获得的是模拟信号。微电子技术、集成电路技术的发展,将传感器集成到单一模块中,并 对数据做了简单模数转换。因此,将生产生活中的物理量通过传感器来获取已经越米越方便, 为物联网技术的发展做好了基础。传感器是物联网的基础,而物联网技术所要做的就是将各 类传感器的基础上实现数据的联网。 互联网时代的特点就是,不受时间、地点、场景的限制,可以将数据收集起来,做下 步的数据分析处理。一种物联网解决方案,一般包含四个部分:终端,网关,应用服务以及 云组成。而终端与网关是一种解决方案的关键部分 般终端是指分布在需要监控的位置所放置的传感器,其中又可以分为两种:一种是有 线的,即每一个传感器节点都需要数据和电源线连接到一个集中器或其它节点;一种是无线 传感器,这类传感器在内部例如:温度变化电阻,压力电阻,其内部芯片及检测原理相同, 它具有无线收发模块或者和无线收发模块构成一个整体。一种解决方案的终端非常重要。终 耑影响了采集数据的质量以及可靠性 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 网关是物联网技术的关键,不同的设计方案接入互联网的方式不同,导致数据采集的传 输路径不同。分离的设备采集的数据价值是有限的,只有接入互联网,让数据累积起米,才 能开发物联网系统更大价值。,各种不同网络协议种类繁多,相互之间的通信协议也各不相 同,要将它们链接就对网关设计提出了更高的要求。网关设计及物联网各部分之间的通信设 计保证了物联网的健壮性。一和优秀的网关设计不仅仅能满足当下的需求,同时也能为以后 的更多设备的接入提供一个良好的接口。 人们对于物联网需求的不断上升,同时对于物联网的理解,已经从最初的只需将某些设 备的数据获取并显示出来,并做一些小范围的互联工作。如今,要求物联网必须做到将日标 105 数据米集、传输、处理以及能够集反馈自动控制捰作于一体的系统。 3设计思路 3.1数据存储与查询系统 当传感器或终端设备将采集的数据上传到计算机端,首先将这些数据保存起来非常关 键,因为许多工作都是建立在大量数据记录下完成的。文献[6 MYSQL( My Structured Query Language)是开放源代码的关系型数据库管理系统( Relational Database Management System), 使用最常用的数据库管理语言结构化査询语言进行数据库管理。 MYSQL是开放源代码的, 因此任何人都可以在 General public license的许可卜根据个性化的需要对其进行修改 Web显示非常方便,优秀物联网系统一定包含便捷的上位机显示方式。客户端显示无 疑要先安装客户软件,有可能还需要相应的驱动软件,占用计算机资源较多,不如Web显 示方便,但其也具有一定优势,这些显示方式适合不同的需求场景。本系统同时设计了客户 端软件和web数据查询方式。 32实时性与非实时性 实时监控与非实时监控的选择是存在一定的矛盾的。实时监控与非实时监控的区别在 于,实时监控是间隔一定的时间上传或发送一次数据,这里的时间间隔一般非常小,这样的 120 设计一般适合应用于对监控要求比较高的系统中。其中包括了对数据的获取、分析以及进一 步所要采取的控制措施,所以实时系统的优越性相比于非实时系统它的监控质量是非常髙 的,对于一些远程操控系统或者关键的一些芍能减排监控节点必须采用实时监控,这也是根 据实际需求来设计的,同时这也是物联网设计的一大特点。 非实时监控自然也有它的优点。首先它能够很好的应用在对监控要求时效性不高的系统 125 中,这些需求是来源于实际的设计,并没有一个统一的标准,同时系统设计试运行后也可以 根据实际情况做岀调整。大部分嵌入式芯片都具有休眠,以及唤醒功能,这样非实时监控系 统可以在一定的时间内使整个系统休眠,以节约自身的能耗,嵌入式系统本身虽然能耗并不 高,但是一般为了系统易于旌工、后期维护等很多系统自身供电都是依靠蓄电池,因此对于 能耗就非常敏感,一个可摊广的系统必定维护简单,因此非实时监控系统就是一个很好的解 130 决方案。最后,非实时监控对于网络以及对于存储监控数据的硬件设备要求也相对较低。工 业生产中大多情况下,需要一个易维护的系统 4 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 33无线传输技术 Ra无线传输也有缺点的,其数据传输速率相对较低。实验使用的基于SX1278主芯片 稳定性高,属于工业级无线传输模块。其空中接口速率可调,分别是:0.3kbps、1.2kbps、 1352.4kbps、4.8kbps、96kbps、19.2kbps。但是在省电模式下,消耗电流仅几十uA,非常适合 对功耗敏感的应用场景。传输速率越低,传输距离越远。木次设计采用了远距离、低速率、 低功耗的薮据传输簧略。为了满足需求,即水必须能大范围监控数据,适应⊥业园区的需 求,能够做到大范围监控需求,减少中继节点的布施。水表数据本身对于数据传输速率要求 不髙,但是对于功耗非常敏感,频繁更换电池是不能接受的,LoRa无线传输牺牲了数据传 140 输速率获得了低功耗。针对远距离低功耗的要求,以及对数据传输速率要求不高的场景,夲 次设计 4设计实现 系统采用了江苏迈拓智能仪表有限公司生产的MIW-9型超声波水表设计了无线水表监 控系统。超声波水表无机磨损部件其使用寿命远远高于传统的机械水表,冋时精度也有很 145 大的提高。此系统解决了现有传统人工抄表水表和有线远程抄表水表的不足,达到远稈低功 耗监控水量使用情况。系统可以分为三个部分。 第一部分,协议转换部分。超声波水表采用的是RS485通信协议,而通用的计算机和通 信系统处理的数据一般都是TTL电平,因此数据传输协议的转换在这部分完成,协议转换 模块如图2所示。 (D Q sp 150 图2RS485转TTL电平模块 Fig 2 RS485 Lo TTL level module 第二部分,无线传输部分。该部分我们采用IoRa无线传输模块,这样的设计可以增强 系统适应能力,工厂以及工业园区相对于居民社区更人的距离需求,这样的设计是非常必要 155 的, ZigBee、蓝牙等无线传输技术是很难做到的。经过上文的分析,LoRa同时具有低功耗, 在保持传输距离最远8km的冋时其功率凨有1W,也可以棖据实际情况设定冋的传输速 度,其能耗会进一步降低。这也非常符合此次设计的坦念。LoRa传输模块如图3所示。 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图3LoRa无线传输模块 160 Fig 3 LoRa wireless transmission module 第三部分,上位机数据显示处理部分。上位机软件首先会控制数据的收发以及唤醒LoRa 传输模块达到非实时监控。同时,我们将数据从LoRa终端通过串口转UsB模块传输给计 算机,在计算机上采用CH设计了一款软件接收数据,并对数据进行解析,显示,同时存入 数据库。为了方便异地查询水表的参数,设计了Wcb页面用来显示数据,图4为我们设计 165 的抄表软件,本地安装后即可使用。图5为数据库设计,可以自动存储数据,方便查询 不地害 正向总量:257 68105427098200111181 上传数据 1b901fb6570200002903 负向总量: 00000029000000003241 瞬时里:0 水表编号:54270982款表 电压:3.64v 抄表时间:2017-12-0517:2541 0已打开」 图4无线抄表软件 Fig 4 Wireless meter reading software =to_ dst: (data (ocal ost_335) 目入向导园导向导能向导田格查三表查看注国+E要像升辨库金排国序 data positivctot data nc]ot voiotal catr_instantvaluc data vota data fmc thrc 42017-7-030335:16 610542709g200111181 00U 42017-120517241631054279:200111181 dsta lbb 41刚1如12/LW1111 42017-L2-0313:37:02 6310斗427c9E200111181 deta500 542709200111181 4717-7-n3:1 成15795m1111 deta574 4217-7-0303:42:163105427092001111』1 64 4217-)7-03092735 6310542709g200111181 delaa 4217-L2-081402:3 61542709200111181 170 图5数据库设计 Fig 5 database design 此次设计我们采用了非实时监控系统,考虑了系统使用的方便以及维护,使得系统自身 能耗减小,系统大部分时间处于休眠状态。本系统完成了预期目标,可以远程自动监控水表 的状态,适用复杂应用场景ε其可靠性、施工便捷性、自身的低功耗使其具有摧广应用价值 6 山国武技论文在线 http://www.paper.edu.cn 1755结论 本文将物联网技术、无线传输技术和数据存储技术等综合运用到工业节能减排平台设计 中,搭建了基于LoRa的无线抄表,使水表抄表变得更方便,易于监控水量,这就为节能减 排打好了基础。解决了郊区和工业园区的抄表困难,同时实现了远距离和低功耗 本系统能够自动的完成数据监测,基于LoRa的尢线传输系统大大提高∫系统对环境的适应 180 性,多种数据显示存储方法使系统的使用更加使捷。但对数据的分析处理还不够,不能做到 完全自动调节系统能耗。只有把数据精准收集,结合一些数据处理算法才能真正为节能减排 提供解决方案,优秀的能耗评估算法将是下一步研宄的重点 |参考文献]( References I85 [1 Zhao Hong, Guo Li-Lu. Research on the wireless meter reading technology applied in ultrasonic water meter based on Zigbee [j. Paripex-Indian Journal of research, 2015, 409): 47-50 [2]刘若冰物联网的研究进展与未来展望可物联网技术,2011(7:58-62 [3]张强远程集中抄表系统应用研究[南京南京理工人学,200310 李立新自动抄表系统的研发[D杭州:浙江人学,2003,3 190 王振起基于单片机和GPRS数据传输技术的研究[D]海尔滨:哈尔滨理工大学,2009 [6]王立刚,牟海维嵌入式室内智能湿度控制器的研究与设计[J东北林业大学学报,2009(6):64-65 [η]白枓彩,熊正浩水表自动抄表系统现状与解方案[.机槭制造与自动化,201,40(5:145-146 7

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2019-08-14
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