基于智能网联技术的房屋健康监测系统设计_刘凯华.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023收稿日期:20211207修改日期:20220104The Design of House Health Monitoring System Based onIntelligent Network TechnologyLIU Kaihua，QIAN Guoming*(School of Electronic and Optical Engineering School of Microelectronics，Nanjing University of Postsand Telecommunications，Nanjing Jiangsu 210023，China)Abstract:Since the conventional house health monitoring device cannot upload data in real time，a house health monitoring system is de-signed which can collect and upload data in real time to the cloud The system is composed of a host computer and a slave computer，anduses the Internet of Things module for wireless communication The host computer uses Ali cloud web terminal for operation The slavecomputer uses a microprocessor to upload the data collected by the house health monitoring sensor and location information from BeiDoumodule to cloud The system realized the function of remote active data measuring data controlled by the host computer and automatic up-loading controlled by the slave computer It can display the location and time synchronously，thus，has a good application prospectKey words:house health monitoring;Internet of things;Ali cloud;wireless communicationEEACC:6140;7320Cdoi:103969/jissn10059490202301009基于智能网联技术的房屋健康监测系统设计刘凯华，钱国明*(南京邮电大学电子与光学工程、微电子学院，江苏 南京 210023)摘要:针对常规房屋健康监测装置无法实时上传数据的局限性，设计了一种可以实时采集并实时上传数据到云端的房屋健康监测系统。该系统由上位机和下位机组成，采用物联网模块实现无线通信。上位机使用阿里云物联网平台网页版进行开发，下位机采用微处理器将房屋健康监测传感器采集到的数据和北斗模块得到的位置信息一并上传到云端。该系统实现了上位机控制的远程主动数据测量功能和下位机控制的自动上报功能，并能同步显示采集数据的位置和时间信息，具有良好的应用前景。关键词:房屋健康监测;物联网;阿里云;无线通信中图分类号:TN92;TP2129文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01005205近些年，不断出现房屋倒塌的安全事故，造成重大人员伤亡，人们对房屋安全更加关注。通过在房屋的一些关键部位安装传感器1，可以监测房屋的健康状况。一些重要的建筑，例如桥梁、水坝2、隧道3 等，也都安装有大量的传感器，但是很多传感器并不能实时传输数据，仍需要技术人员前去查看数据或者使用很长的数据线连接到控制端。为此，本设计提出来一种可以联网的传感器采集装置。本设计通过在普通传感器电路上加装无线通信模块，使得用户能在无线的情况下实时查看数据，同时能获得传感器的位置信息。基于阿里云的物联网平台，数据将以表和地图的形式展现在网页端，方便用户查看和操作，这也是新基础建设的一部分4。1系统总体方案设计根据设计要求，需要将传感器采集到的数据传输到服务器，其中的关键模块是物联网模块，该模块要求可以连接到云平台，同时考虑到很多测量的地方没有 WIFI，物联网模块必须要能使用独立的物联网卡，这样只需要在运营商覆盖的区域就能传输数据。对此选择移远公司的 BC26 作为物联网模块，该模块连接云平台需要通过下位机发送数个 AT 指令，模块接收到 AT 指令后将指令解析并转换为MQTT 协议，通过 MQTT 协议与云平台通信。国内有阿里云、华为云、百度云等各种云平台，通过比较选择了阿里云平台。阿里云物联网平台5 网页版提供交互设计，用户可以自己定制需要第 1 期刘凯华，钱国明:基于智能网联技术的房屋健康监测系统设计的功能。数据传输到云端后会转到网页交互界面，在交互界面实时显示接收到的数据，同时通过设计按钮实现一键主动测量，在个人服务器端运行Python3 SDK 可以将服务器与云平台连接，使得数据也能存入工作人员的服务器中。将收到的数据处理并转换成图表，可以直观感受数据的变化情况，实现智能预警提醒。2硬件设计21总体方案整个系统通过一个 12 V 的输电线供电，对于不同模块的不同电压要求，在电路上通过两级电压转换，将 12 V 电压转换到 5 V，然后将 5 V 电压转换到33 V。考虑到工业应用，在重要的接口处加入了TVS管，使得静电防护成为可能。同时在设计时，考虑到产品使用的环境多样性，加入了看门狗芯片，当设备受到干扰而死机时，看门狗芯片会自动将设备复位，这使得产品能够抵抗大量电磁干扰。通过加入096 寸的 OLED 屏幕使得产品能够实时显示测量数据，硬件结构如图1 所示，12 V 电源依次转换为 5 V 和33 V，同时12 V 电源也直接给传感器供电。单片机通过 MAX3485 芯片与传感器通信，另外单片机通过串口与物联网模块和北斗模块通信。实物如图2 所示。图 1硬件结构图图 2系统硬件实物图22STM32 最小系统主控芯片选用了 STM32L475 系列芯片，该系列芯片具有先进的内核，采用更为高级的 Cortex M4 内核，相比于低级的 Cortex M3 内核，Cortex M4 内核带有 FPU 和 DSP 指令集，在 80 MHz CPU 频率下的性能可达到100 DMIPS。该芯片有256KB Flash、128KBSAM，具有 5 个 USAT 能满足我们多个外设的通讯需求。L 系列以 STM32 系列里面的超低功耗为特点而命名，它有 7 种工作模式，能够最大程度节省电量。这些使得它能够在提供较好计算能力的同时具有良好的低功耗特性。因为监测系统需要长时间、不间断的工作，对于大多数场合是可以正常运行，但是对一些直接供电不方便或不可靠的位置，可以通过安装太阳能电池来驱动传感器，这对设备的低功耗提出较严格的要求，这时就能便于针对这些特殊场合推出低功耗的电池版而不需要重新设计新的主控模块。23物联网模块物联网 6 模块选择 BC26，BC26 是一款高性能、低功耗、多频段的 LTE Cat NB1 无线通信模块。LCC 封装、超低功耗、超高灵敏度、尺寸紧凑，支持低电压供电:21 V363 V。支持中国移动 OneNET、中国电信IoT、华为 OceanConnect 和阿里云物联网云平台。支持多频段及丰富外部接口、内嵌网络服务协议栈，应用便利。通过插入物联网卡，能接入到阿里云物联网平台。24北斗模块北斗模块7 选择 L76LB，L76LB 是一款集成GPS、BeiDou 和 QZSS 多卫星定位系统的并发接收型模块，尺寸超小，支持 GPS 和 BeiDou L1 频段同步接收功能，与单一的 GPS 系统相比，L76LB 的 GPS和 BeiDou 多定位系统使得可见和可用卫星数目大幅度增加，同时大大缩减首次定位时间，即使是在复杂的城市环境中也能实现稳定的高精度定位。图 3传感器实物图25倾角传感器所选倾角传感器是一款超高精度数字双轴倾角传感器，分辨率为 0000 1、精度为 0001、温漂为0000 7/，是目前行业中最具竞争的一款产品。产品输出 S485 数字信号或 05 V 模拟信号。电压输入为 9 V24 V 可选;输出频率为 10 Hz(可定制);输出波特率为 2 400 38 400 可选、采用标准MODBUS TU 协议。传感器实物如图 3 所示。35电子器件第 46 卷26电压转换模块系统整体由一个 12 V 电源适配器接入到市电220 V，通过 SD8942 芯片将 12 V 电压转换到 5 V，再由 TLV62569 芯片将5 V 电压转换到33 V。电压转换模块电路原理图如图 4 所示。图 4电压转换模块图 5软件流程图3系统软件设计31软件架构系统软件架构由单片机程序和阿里云网页端共同组成。单片机初始化之后开始通过 BC26 模块连接网络，接着通过串口连接 MAX3485 芯片与传感器通信，采集倾角数据。另外单片机也通过串口与北斗模块通信采集时间和位置信息。收集完数据后会定时将数据通过 BC26 模块上报到云平台89，网页端会将数据变换成图表形式，方便用户查看。同时网页端还配有主动上报按键，点击按键，云平台下发指令到单片机，再由单片机处理指令并主动上报数据。软件流程如图 5 所示。32单片机程序设计读取传感器数据:传感器一对线接 12 V 电源和地，另外一对线接 MAX3485 的 A 端口和 B 端口。单片机通过串口向 MAX3485 芯片发送数据，如表 1所示，接收到的数据格式如表 2 所示。表 1单片机通过串口发送指令的格式起始符长度设备编号指令名称无效无效无效结束符发送AA080103000000BB表 2单片机接收到数据的格式起始符长度设备编号指令名称X 轴数据Y 轴数据设备温度结束符接收55170183xxxxxxxxxx66读取北斗1011 模块数据:配置串口波特率为9 600，串口发送命令“$PMTK314，0，1，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0*35rn”到北斗模块，模块返回信息如图 6 所示，其中字符$GNMC 之后的数字表示格林尼治时间，通过将小时加 8，就可以得到北京时间，字母 A 之后的数字和符号 N 代表纬度，N 之后的数字和符号 E 表示经度。通过编写一个 1 s 钟加 1 的 24 h 电子时钟，可以使得每天只需要连接一次北斗模块就可以得到正确时间，减少功耗。图 6串口收到的北斗信息图 7连接阿里云流程上报消息:配置串口波特率为 115 200，通过图 7 的一系列指令就能登录到阿里云平台。45第 1 期刘凯华，钱国明:基于智能网联技术的房屋健康监测系统设计33阿里云网页端设计首先要在阿里云平台上面创建一个物联网项目，定义一些需要的功能，如图 8 所示。接着利用阿里云平台的网页交互功能，设计一个简单的交互界面12，当设备连接到阿里云后，在界面上可以看到传感器实时上传的数据，数据会直接画在坐标系中。从北斗模块获取的位置信息会上传到阿里云，这些信息会直接映射到一个电子地图中，用户可以查看传感器的位置。另外加入了一键上报功能，只需点击按钮，设备会将数据自动上传到云端。由图 9 里面的数据可以看到，我们设定每间隔 1 min，系统自动上报数据一次。另外图 9 中数据表的后半段使用主动上报按钮，并改变倾角，可以看到数据是实时变化的。同时我们根据北斗模块得到的位置信息，将其映射到地图中，用户可以方便查看设备所在位置，尤其是当用户有多个设备时，地图能清晰看到各个设备所在位置。图 8阿里云网页端功能定义图 9交互界面4小结相较于传统的房屋健康监测，本设计通过物联网技术实现了远程自动测量，通过将收集的数据存入数据库可以直观看到房屋健康状况，极大地扩展了传感器的应用场所，有利于居民住房13 的安全保障。可以通过开发微信小程序，在云端设置一个报警阈值，超过阈值会将报警信息发送到用户手机中。这样的监测系统也可以应用在其他需要的场合，比如桥梁、隧道等场所。参考文献:1 杨懂艳，沈秀娥，田志仁，等 基于物联网的土壤样品库建设和实践J 中国环境监测，2021，37(1):2933 2 王飞，刘金飞，尹习双，等 高拱坝智能进度仿真理论与关键技术 J 清华大学学报，2021，61(7):756767 3 陈虹宇，吴贤国，张浩蔚，等 基于物联网的运营地铁隧道结构健康监测系统软件平台开发J 城市轨道交通研究，2020，24(1):9396，106 4 刘硕 工业现场参数的智能采集与无线监测的研究 D 成都:电子科技大学，2019 5 陈金光 基于阿里云的 Kubernetes 容器云平台的设计与实现 D 杭州:浙江大学，2018 6 王振东 基于物联网的医院实验室信息管理系统的设计与实现 D 山东大学，2021 7 赵旺 北斗导航授时终端模块的设计与实现D 成都:电子科技大学，2020 8 Huang Z，Mi Z，Hua Z HCloud:A Trusted JointCloudServerless 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2021:56415646刘凯华(1997)，男，硕士研究生，研究方向为数字信号处理，1721511817 qqcom;钱国明(1964)，男，浙江绍兴人，教授，主要研究方向为无线通信技术和信息处理，qiangm njupteducn。65