基于物联网的多传感器数据采集系统设计与实现

◆徐玉峰

（南京高等职业技术学校江苏 210019）

企业在发展过程中，会不断扩大生产规模，并且购置多种先进的生产设备，在生产中运用科学合理的生产技术，但是在生产环境中，仍会存在许多因素，会引发生产环境出现事故，包括爆炸事故、火灾事故以及气体泄漏事故等[1]。针对企业生产环境中不利因素引发的安全事故问题，企业在生产所在的环境中，积极应用物联网系统，并基于物联网系统，设计开发多传感器数据采集体系，利用实时监测系统，检测生产环境。

1 物联网及多传感器数据采集系统的概述分析

1.1 物联网概述

物联网是指通过信息传感器、射频识别术、全球定位系统以及红外感应器等各种相关装置及技术，而实现采集、监控及互动的过程。其主要采集的信息如：光、电、化学、生物等重要信息，然后通过各类可能的网络进行接入，从而可以实现物与物之间、物与人之间的连接，实现智能化感知以及识别管理过程。可见，物联网是基于互联网以及多传感器下的信息载体[2]。

1.2 无线传感器网络

无线传感器网络典型结构由以下几种元素组成：传感器节点、汇聚节点以及管理节点。传感器节点用于对物体进行全面的检测，将检测的数据传输至网络内，汇聚节点用于处理获取的物体信息，管理节点用于优化和调整传感器节点，并根据需要与汇聚节点相互融合[3]。

在无线传感器网络发展期间，自身体现出多种优势：首先，可以在网络内布置数量较多的传感器节点；其次，优化和调节拓扑构件；三，借助通信机制传输和接受信息；四，网络环境处于开发的状态；四，各个节点具备组织能力，可以相互协调，使网络保持在稳定的运行状态。

2 设计物联网无线网络层与实现方式

2.1 设计环境数据传感器构件

在系统中，其无线网络层主要承载着多传感器的无线数据采集端，且是非常重要的端口，该采集端的主要功能是实现在监控现场进行数据采集的过程，且该采集端能够将所采集到的数据内容通过GPRS传输到相应的服务器中。其中在数据采集时，主要分为两种类型的数据来源具体如下：第一种是图像数据采集方式。即指由不同采集装置摄像设备所拍摄的图像组成；第二种则是环境数据采集的方式。由各类传感器采集的数据信息，其中主要包括温度、湿度、烟雾等，八大种类。在采集的过程中，图像数据主要是通过图像的传感器节点进行采集的，而在环境数据的采集过程中，主要是由环境节点的传感器进行数据采集的。

2.1.1 类型和规格

主要传感器构件类型和规格如下：（1）首先是数字温度传感器构建部分，一般常见型号为DS18B20 ，传感器的量程温度一般设定在零下55感到零上125器，其数字温度传感器的境地大小为±其数字温；该传感器具有精度高的特点；（2）第二种则是温湿度传感器，该传感器的型号为DHT11，该传感器的湿度调控范围一般在0-90%RH，其中湿度精度为±其中湿度，温度在0-50℃范围内，精度为±围内；该传感器的使用，具有湿度及温度测量，全部校准， 数字输出；卓越的长期稳定性的特点；（3）MQ-2 烟雾传感器，该传感器可以检测环境中的可燃气和烟雾，检测精度在100-1万ppm范围内；（4）MQ-5 液化石油气传感器，该传感器可以检测煤气、液化气以及天然气，检测量程在300-5000ppm范围内；（5）MQ-7 一氧化碳传感器，该传感器可以检测一氧化碳气体，检测量程在 10-1000ppm范围内；（6）MQ-137 氨气传感器，该传感器可以检测生产环境中含有的有害气体，检测量程一般控制在10-300ppm范围内；（7）MQ-138 醛酮醇类气体传感器，检测的气体分别为苯、甲苯、甲醇、酒精、丙酮以及甲醛等，检测量程分别为1-100ppm、10-100ppm、5-100ppm、30-300ppm、10-300ppm以及1-10ppm；（8）MG-811 二氧化碳传感器，该传感器用于检测二氧化碳，检测量程在0-1万ppm范围内。在检测二氧化碳时具有较高的灵敏性及选择性的特点[4]。

2.1.2 汇聚节点

在环境数据多功能传感器中，其每一个重要的组成部分都各尽其职，检测周围的环境及对应的环境数值。在进行数据的采集过程中，由于所采集的数据的样式存在不同，所以需要一个汇集的节点，因此衍生出了汇聚节点，其起着协调管理的作用[5]。

多传感器数据汇聚节点，使用型号为STM32W108汇聚节点，该节点具备以下特点：一，可以在线实时调试传感器；二，汇聚节点可以设置多个I/O端口，向多种类型的传感器提供连接条件；三，在汇聚节点内设置LCD液晶屏，由液晶屏向工作人员显示生产环境中的图像和文字；四，该型号汇聚节点符合 IEEE802.15.4/ZigBee协议要求；五，汇聚节点最大传输速度为每秒 250kbps。

2.1.3 拓扑结构

拓扑结构一般分为六种，每种拓扑结构的优势和劣势各不相同：一，星型结构，优势在于控制较为方便，系统运行较为稳定，劣势在于需要较高的性能；二，环型结构，优势在于构建环型链路，劣势在于稳定性较差；三，总线型结构，优势在于连接网络方式较为简单，劣势在于访问媒体设备过程较为烦琐；四，分布式结构，优势在于可以控制分散结构，劣势在于节点连接过程中，出现的故障会影响网络正常运行。

结合六种拓扑节后，在本系统中所采用的拓扑为星型拓扑结构，将其作为环境数据传感器的无线拓扑结构，该拓扑结构的应用，能够满足于传感器节点的不同需求，如在环境数据传感器节点间不需要进行联合相互工作；在任意一个子节点处若出现失效的现象，则不会影响其他节点的正常运行，且该系统的可靠性较高；会有效避免因网络的问题导致的延迟现象。

2.2 组建无线网络

组建无线网络分为六步，其中两步较为关键，第一步组建流程如下：一，初始化；二，初始化状态下，设置直接队列和间接队列；三，打开无线，在通信环境中建立能量最小的可用信道；四，使用随机函数设置ID，并将网络状态设置为Ture。第二部组建流程如下：一，将是否在网络中的状态选择为否；二，初始化节点状态；三，构造类型为PT-SUN-SEARCH的帧，将该帧发送至信道内；四，在信道上建立Sun网络，勾选申请加入；五，加入请求被接收并且加入包成功被传送；六，完成。

2.3 无线网络传输数据

无线网络传输数据流程，分别为PLANET子节点数据传输流程和SUN主节点接收数据流程。在PLANET子节点数据传输流程中，传输流程如下：一，开始；二，初始配置工作；三，检测是否有按键按下，选择是；四，向SUN节点发送数据包；五，完成。在SUN主节点接收数据流程中，传输流程如下：一，开始；二，初始化；三，循环检测是否接收数据包，选择是；四，接收数据包并且改变指示灯的状态；五，检查是否发包；六，SUN调用通信函数向所有Planet节点法数据包；五，完成。

3 设计物联网数据链路与实现方式

在物联网系统数据链路中，其数据链路层主要承载的是物联网网关。所谓的物联网网关在其整个大系统中承载着承上启下的作用效果。首先该数据链路层连接了相关的感知网络，并收集感知的数据，其次，该结构部分能够向上层传统的通信网络进行传输。而物联网则起到一个纽带的作用，物联网网关则会将不同类别的网络形式进行不同的转换，从而实现预期的效果。在本次研究中，我们将选择TQ6410 嵌入式开发板。将其与一端的传感器节点进行相互连接，然后使其能够接收到来自于无线网络层传输过来的环境数据以及图像数据的信息。该嵌入式开发板的另一端则应当与GPRS Modem 进行连接，然后通过网络发送的数据，通过PPP进行拨号上网，最后抵达GPRS网络到达中央数据进行处理。

3.1 TQ6410嵌入式开发板

本系统中TQ641 0嵌入式开发板内会设置较多的端口，每个端口的用途各不相同，以COM-2接口为例，配置的外设为调试PC。TQ641 0嵌入式开发板具有稳定性较高的特点，在复杂的环境中可以充分发挥稳定优势。

3.2 TQ6410网关架构

根据网关典型架构，TQ6410 网关架构具备满足典型架构的建立需求，包括较高的连接功能、快速转换协议功能以及管理功能。在TQ6410 网关架构中，会设置多种模块，分别为数据接收模块、数据发送模块、数据解析模块、协议解析模块以及数据转换模块。

4 结语

综上所述，将无线传感器网络技术，与物联网、GPRS通信等相互融合，在融合的网络中，配置八种环境数据传感器，可以实时获取检测环境的数据，根据数据变化，掌握生产环境的情况，如果数据超出可控范围，工作人员应及时发出预警，做好预防工作，防止生产期间出现安全事故，保证企业正常生产运行不受影响。