集成智能传感系统论文

集成智能传感系统论文（精选7篇）

集成智能传感系统论文 篇1

一般而言, 新一代嵌入式系统的关键指标包括:更高的性能、更低的成本、更低的功耗、增加有线和无线连接能力、更小的尺寸以及更高的整体系统效率。实现上述任意单一目标都不是件容易的事情;因此, 涵盖多个指标的解决方案必须依靠多个元件的集成。

采用仔细选择的模拟元件、32位ARM处理器内核以及合适的数字外设组合, 能以分立式解决方案所无法实现的方式达成这些目标。影响最大的集成元件有:模拟放大器、ADC、DAC、基准电压源、温度传感器、无线收发器和信号处理加速器。

有很多应用领域都具有潜在优势, 包括:工业现场仪器仪表应用/精密检测、电机控制、太阳能逆变器等。

现场仪器仪表:过程控制中的低功耗传感器

现场仪器仪表是过程控制系统的一部分。后者广泛用于各种领域, 比如石油和天然气处理、食品处理、汽车以及半导体制造等。它们常常部署在恶劣环境下, 比如需要远程控制、具有极端温度和安全风险 (如爆炸危险) 等。在这些困难条件下, 器件必须能够可靠、准确地测量过程变量, 如温度、压力和流速。由于要接触这些设备具有一定的难度, 因此未来的趋势是将它们设计得更为智能化, 从而更高效地进行通信、自我校准以及更好地诊断问题。在网络边缘中引入智能是很多应用共有的趋势, 助推新一代嵌入式系统的设计目标向更激进的方向发展。就现场仪器仪表而言, 难点在于增加新功能而不增加功耗、尺寸并且不影响测量性能。在现场仪器仪表中加入新功能的特定例子有:HART调制解调器的通信功能、电子电路诊断功能以及尺寸更大、分辨率更高的显示器。此外, 若要为现场仪器仪表优化模拟微控制器, 则必须首先了解行业趋势, 然后还要深入理解系统级要求。拥有系统知识, 便可选择正确的集成模块。

对于单芯片数据采集子系统来说, 从电路级架构角度出发, 可以获得大量的系统级优势。这便为实现激进的功耗、尺寸和性能目标提供了可能性。实现高效而灵活的现场仪器仪表数据采集方案所需的IP有:模拟多路复用、仪表放大器、Σ-Δ型ADC、基准电压源、可编程电流源、ARM M3微控制器内核、Flash、定时器、看门狗和数字串行接口。框图显示针对现场仪器仪表优化的IP, 经过集成后, 它们可良好地协调工作, 从而提供能效与尺寸方面的优势, 并允许加入额外功能。

大部分现场仪器仪表设备通过双线式模拟环路通信, 采用4 m A-20 m A电流信号。这类环路使用广泛的原因是它们成本低、稳定性高, 并且具有噪声抗扰度, 不会产生压降。另外, 4 m A-20 m A环路还可用来为现场仪器仪表供电。这种受限型电源使得仪器仪表对电源十分敏感, 即吸取的电流必须低于环路源电流能力的下限4 m A。具体而言, 电流预算为3.5m A。现场仪器仪表中全部电子器件的总消耗电流不可超过该值。对于数据采集元件而言——包括信号放大、模数转换、数字信号处理、诊断、校准和控制——此部分预算需小于2m A。从系统角度来理解这个预算, 便能针对应用设计并优化集成式模拟微控制器。

模拟微控制器中的所有主要IP模块都需针对功耗进行优化, 满足2 m A以内的功耗目标。实现这一目标的关键器件有:仪表放大器、ADC和微控制器子系统。单个ADC通道的功耗目标为150 u A以内。对微控制器子系统进行功耗优化时, 应当包括对低功耗工作的电路设计优化、对调节时钟频率以控制功耗的能力进行优化, 以及对某段时间内不使用的外设的时钟关断进行优化。这些优化可以实现800u A以内的功耗, 并让内核工作在能够处理全部所需功能的速率下, 比如2MHz。

除了功耗, 选择正确的ADC并进行适当配置对于性能和尺寸而言同样十分重要。系统性能是ADC效果最直观的反映。ADC精度越高, 过程变量的测量结果就越精确。这最终会提升控制能力和性能。对于现场仪器仪表而言, 16位分辨率是较为常见的要求, Σ-Δ转换器便能很好地满足这种精度要求。

在现场仪器仪表设计中, 经常会出现两个或更多传感器。这类应用实例有:温度测量和压力测量。这对ADC、仪表放大器和多路复用芯片设计的配置都会有影响。集成两个ADC, 就能测量两个过程变量。采用多路复用可增加输入数量。对于温度测量而言, 可以将一个ADC与热电偶对接, 另一个ADC与电阻温度检测器 (RTD) 对接。热电偶的电压输出与两个端点之间的温度差成正比, 其一端参考目标 (比如极高温金属) , 另一端参考电子元件的温度。第二个ADC用来测量RTD, 后者为电子元件提供绝对参考温度。利用参考温度及其与目标之间的差异, 目标温度便能由ARM M3微控制器内核精确计算得出。

对于压力测量而言, 主ADC测量阻性电桥压力传感器。第二个ADC测量温度, 以便用于温度补偿以及提供整个温度范围内的更佳精度。灵活的多路复用允许测量静态压力补偿值。

需要提供额外功能并保持尺寸与功耗预算不变的一个例子便是HART (可寻址远程传感器高速通道) 调制解调器功能。HART调制解调器采用数字双向通信标准, 它在标准4 m A至20 m A模拟环路上调制一个1 m A峰峰值FSK信号。若要加入这个功能, 就必须在总功耗预算中留出裕量。前文所讨论的优化在这种情况下适用。另外, 还需考虑微控制器子系统。微控制器内核需实现该性能, 同时保持能效以控制HART调制解调器并驱动环路供电型DAC, 它还需执行处理测量数据、诊断和校准等任务。

选择正确的元件实现芯片级集成和优化固然重要, 但开发高效率集成系统还需要掌握目标市场要求与趋势等丰富知识。系统级目标——比如增加功能而不增加功耗水平与尺寸——要求芯片供应商与最终系统开发商之间展开密切合作。为了便于展开这种合作, 半导体供应商需对电路板级要求具有充分的理解, 例如:外形尺寸、温度范围、制造工艺、功耗、成本以及信号链中的补充器件。

摘要：本文通过介绍几种不同的现场仪器仪表的缺点与不足, 分析了ARM M3/M4处理器内核与适当的模拟元件集成后, 如何实现现场仪器仪表应用的系统级优化。

关键词：ARM,现场仪器仪表,传感器

集成智能传感系统论文 篇2

关键词 智能小区 网络系统 集成 设计和实现 一卡通

中图分类号：TP3 文献标识码：A

1智能小区系统功能需求和模块设计

通过对居住人员对小区居住环境的要求进行分析，人们不仅仅对建筑的外观和实用性要求逐渐增高，还对小区的物业管理、安全性以及智能化提出了新的要求，所以为了满足人们对居住环境的需求，小区在设计和施工时就需要应用到集成化的技术，并且随着社会的发展，集成化技术应用到当前智能小区将成为建筑工程的核心内容，因此，根据人们的需求来设计系统的功能，具体可以分为以下的模块：CA通信自动化模块、BA建筑设备自动化模块、OA办公自动化模块、SA安全自动化模塊、FA火灾自动报警模块、GCS综合布线模块、BMS综合建筑管理模块。其中的CA通信自动化模块的功能是在智能小区中实现智能远程对话、视频监控等日常的通信方面的管理，该模块主要是实现小区智能化安全管理，提高小区的安全性；BA建筑设备自动化模块主要针对的是小区内的电气设备，如照明系统、排水系统、暖通空调等，利用BA建筑设备自动化模块能够实现自动化控制，根据当前的温度、光照等进行自动化设备的控制，从而提高资源的利用效率，做到节能减排；OA办公自动化模块利用小区内的局域网络实现小区中的计算机、复印机、打印机、扫描设备等智能化控制、远程控制以及自动化控制，从而提高小区办公效率；SA安全自动化模块的主要功能是进一步的保证小区内的安全，管理人员实时的掌握和控制小区内人员的动态，防止非法侵入，在对内部和外部人员进行管理时，设置起视频监控以及防盗报警等组成的安全防范系统，对整个小区实现全方位的监控，确保小区住户的生命财产安全；FA火灾自动报警系统中主要包含了烟雾传感器以及温度探头，当系统一旦检测到小区内任一区域的温度或烟雾超过了设定的阀值时则立即报警；GCS综合布线模块是一种常用的传输系统，其能够将小区中的数据设备、语音设备、交换设备、控制设备等连接起来，实现小区各项管理工作智能化，通常采用的是双绞线或者光纤来实现连接；BMS综合建筑管理模块的主要功能是对上述提到的所有模块进行管理，该模块是整个系统集成化管理的核心，负责整个智能小区的智能化管理和决策。

2能小区网络系统集成设计和实现

2.1网络系统的结构设计

目前的智能化小区网络系统集成化主要利用的计算机网络技术和通信技术，利用这两项主要技术来实现小区内的智能化管理。智能小区网络系统集成的结构如下：智能化小区信息集成系统主要依靠的是SIM智能接口模块，利用该模块能够实现整个集成系统各模块之间的联接，如联接防盗报警模块、停车场管理模块、视频监控模块、一卡通门禁模块等，同时上层信息管理系统所依赖的是支撑软件和功能强大的数据库，从而实现集成网络系统的统一智能化信息管理，数据传输、交互所依赖的协议为标准的TCP/IP协议，从而是实现数据间的通信和传递。

2.2门禁系统设计和实现

以下就简单以一卡通的设计和实现为例来进一步的分析智能集成系统的实现和应用。

一卡通系统在设计上主要是以感应IC卡为媒介，通过计算机网络技术和通信技术将小区内的所有设施、设备联接成为一个统一的整体，住户仅需要一张卡就能够实现日常的资费结算和控制操作等，利用刷卡解除门禁、用餐、停车、办公等，在小区内实现一卡多用。在一卡通设计上，主要从以下几个方面进行：门禁系统中主要有门禁控制器、门禁管理主机、一卡通读卡器、电子锁、出门按钮等，其中读卡器采用的是感应读卡，将IC卡放在读卡器感应区域内则可以读取卡中信息，系统主机主要由TCP/IP网络管理层、控制器、读卡器网络前端设备层构成，系统管理主机和中心数据库相连，由数据库来授权卡片的权限以及控制器功能，能够统一的对小区各门禁点的工作状态进行监控，对于数据库中的信息更新则需要管理人员认可后才能进行，此外，门禁系统要求可以进行自由的设置，由小区物业或者住户入住后安装对应的管理软件输入即可实现，不需要额外的铺设线路或增加硬件设备，在节约成本的同时最大化保证人员出入信息的安全，接着是各楼层装设两个门禁控制器，控制楼道到电梯间的出入以及控制电梯停留的楼层，在机房设置起离网式门禁系统，控制人员的出入。

3结语

智能小区网络系统集成控制是实现小区智能化管理的重要措施，它借助的计算机网络技术和通信技术，能够实现小区现代化管理，提高小区的管理效率和安全性。本文就主要分析了智能小区网络系统集成系统的设计和实现方法，通过一卡通实例来进一步的探讨了智能小区网络系统集成化的效果，以为相关人士提供理论参考。

参考文献

[1] 陈勇.楼宇智能化集成系统的设计与实现[D].山东大学，2011.

[2] 魏三强.宿州“明日·世纪花园”小区多媒体智能系统的设计与实现[D].安徽大学，2009.

[3] 王嵩.高校监控系统集成管理平台的设计与实现[D].电子科技大学，2014.

集成智能传感系统论文 篇3

随着网络科学技术的不断发展,作为国民支柱的制造业逐渐朝着数字化和网络化的方向发展,同时制造设备的智能化、网络化、大型化、集成化、复杂化、信息化程度也在不断提高。若设备某些部件或加工流程的某些环节发生故障,将严重影响企业的生产并造成巨大的经济损失和设备的损毁。因此,为了提高设备利用率和提升产品生产质量及生产效率,减少企业由于设备故障而导致的损失,必须对反映机械设备运行工况的重要参数进行监测[1]。目前在很多工业现场,设备状态信息数据采用有线方式传输,但随着无线传感器网络应用研究的深入,许多制造工厂也已经将无线传感器网络用于生产设备信息检测,特别在生产条件比较恶劣的环境中,比如核电厂的发电机组、矿山和冶金中用的回转窑等各种旋转机械、钢铁热轧车间中的自动化加工设备等工业现场设备。为此,将无线传感器网络用于设备状态信息的检测,无需布线,更加灵活地布置传感器节点以适应各工业现场,构建出高效低成本的设备信息集成网络具有重要的实际应用价值。图1为信息检测集成系统原理图。

1 无线传感器网络(WSN)

无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Networks)是由大量分布式传感器节点组成的面向任务型自组织网络,它能为传感器、执行器和控制器之间提供冗余、容错的无线连接通信[2]。作为一种新兴技术,无线传感器网络涉及微机电系统(MEMS)、片上系统(SOC)、传感器、纳米材料、无线通信、计算机网络、分布式信息处理等技术。在国防军事、工农业控制、智能家居、卫生医疗、环境监测、抢险救灾、危险区域作业等领域都有广阔的应用前景。

当前,如何面向工业应用开发出实用可靠的无线传感器网络系统,已成为迫切需要解决的问题。表1所示为工业环境下无线通信系统的要求[2]。

2 基于无线传感器网络的设备状态信息检测集成系统的设计与实现

为了满足工业环境下无线传感器网络应用要求,我们采用ATmega128L单片机作为传感器节点的主控制器;以TinyOS作为节点的嵌入式操作系统;用CC2420芯片作为节点的无线通信控制芯片;以基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee作为传输协议;并根据实际检测需要设计相应的电路以及相应的传感器接口。图2所示为无线传感器节点硬件系统结构图。

2.1 系统硬件设计及实现

2.1.1 ATmega128L

ATmega128L是基于AVR RISC的低功耗8位单片机,最高工作频率可达16 MHz,具有128 KB Flash内部存储器、4 KB EEPROM和4 KB SRAM数据存储空间,同时还可以扩展外部存储器,并且采用了JTAG技术;有64个I/O引脚,都与通用单片机兼容;片内提供1个串行外围接口SPI,1个两线串行接口TWI和2个通用同异步串行接口,用于与外部元件的通信;并提供8通道10位采样精度的A/D转换器,该器件同时支持16路差分电压输入组合[3]。正由于ATmega128L高性价比,以及丰富的片上资源,很适合作为无线传感器网络节点的主控制单元。

2.1.2 CC2420芯片

CC2420是一款符合2.4GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器。它基于SmartRF03技术,以0.18μm CMOS工艺制成,只需极少外部元器件,性能稳定且功耗低。CC2420芯片还具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、灵敏度高、抗干扰性强的特点。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输速率高达250kb/s,可以实现多点对多点快速组网,而且成本低廉[4]。CC2420芯片采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式(DSSS)和O-QPSK调制方式,并为IEEE802.15.4的数据帧格式提供硬件支持。

CC2420和MCU连接十分方便,CC2420有4个SPI通信接口:CSn、SI、SO、SCLK,刚好对应ATmega128L的4个SPI通信接口:SS、MO-SI、MISO、SCLK。通过这4条线,处理器可以对CC2420进行写入或读取操作,也可以收发数据。CC2420使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA4个引脚表示收发数据状态。图3为CC2420和MCU接口实例。

2.1.3传感器接口电路

设备信息状态的检测主要靠各监测点的传感器,而对于不同的传感器输出的信号需要经过不同的信号放大调理电路来处理,因此,我们设计了一些典型信号的接口电路:

(1)工业开关量信号

对于工业设备操作面板上的开关量,我们用拨码开关连接到ATmega128L作为输入的PA口,外接电阻将其拉到高电位。当有开关拨下时,输入与地连接,检测到低电位。控制程序一直检测PA口的状态是否与前一次相同,若不同则表示有新的开关动作。图4为其与八位拨码开关的连接图。

(2)模拟信号和数字信号

节点上有A/D转换接口和GPIO口,如果是模拟量,只需要把信号接到A/D转换接口,如图4,但是要注意传感器信号的输出幅值不要超过芯片的参考电压值(3.5V)。如果超出了,需要把信号的幅值衰减到合适的范围。如果是数字量,标准接口输出,如RS232等,只需要接到节点上的相应接口,如图5,并修改相应程序;如果不是标准接口,把信号线连到空闲管脚,并针对该传感器开发相应驱动程序。

(3)非标准信号,如电荷等

考虑到传感器在满足精度要求的情况下易于安装的要求,我们选择了以压电式加速度传感器来检测设备的振动信息。压电式加速度传感器的前置放大器有电压放大器和电荷放大器两种。因为电压放大器的输出信号易受连接电缆对地电容的影响,所以我们选择电荷放大器作为前置放大器较适宜。所谓电荷放大器就是输出电压正比于输入电荷的一种放大器,它是用电容负反馈,并具有高输入阻抗和高增益的一种运算放大器。电荷放大器与压电式加速度传感器及连接电缆构成的等效电路如图6所示。图中q0是压电式加速度传感器产生的总电荷,它由振动产生;C0、R0为传感器的电容量和绝缘电阻;CL为连接电缆的电容量:C1、R1为电荷放大器的输入电容和输入阻抗;CF为反馈电容。因为电荷放大器是高增益的,所以一般情况下,输出电压U:

U≈-q0/CF (1)

由上式可以看出输出电压U值与传感器产生的总电荷q0和反馈电容CF有关,与连接电缆的电容量CL无关。

有时由传感器输出的信号虽然经过电荷放大器放大,其输出电压U仍然很小,可能只有几微伏。要想清楚地观察振动强度的大小,还该对电压U信号

2.2 节点软件设计

2.2.1 IEEE 802.15.4协议和ZigBee

IEEE 802.15.4是2004年提出的无线标准的安全网络技术,主要定义物理层和MAC层的协议,其余协议主要参照和采用现有的标准,主要应用场合是传感器网络和自动化控制,针对低复杂度、低功耗、低数据速率的短距离网络。IEEE 802.15.4定义了2个物理层标准,即2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。这2个物理层都基于直接序列扩频DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum),使用相同的物理层数据包格式;区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率[5]。2.4GHz波段为全球统一、无须申请的ISM频段,有助于15.4设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术(O-QPSK)能够提供250kb/s的传输速率,有助于获得更高的吞吐量、更短的通信时延和工作周期,从而更加省电。图8为IEEE 802.15.4协议栈架构。

ZigBee技术建立在IEEE 802.15.4协议规范之上,制定了网络层和应用层标准,如图9。其中,网络层负责网络拓扑的搭建和维护,以及设备寻址、路由等;应用层负责数据流的汇聚、设备发现、服务发现、安全和鉴权等。

无线传感器网络采用ZigBee协议来传输数据是由于其满足了大部分在工业环境下无线通信的要求(见表1),具体特点如下:成本低,传输速率低,协议简单,降低了成本;激活节点延时短,传输能耗低,增加电池寿命;2.4GHz全球免执照频段,通用性扩展性强;支持星型(Star)、树型(Cluster Tree)和网状(Mesh)拓扑结构,采用IEEE标准的64bit编址和16 bit短编址,最大容纳65000个节点,网络容量和规模都可扩;采用CSMA-CA技术来避免发送数据的竞争和冲突,而且MAC层采用了完全确认的数据传输模式,通信可靠性高;支持CRC(循环冗余校验)的数据包完整性检查和AES-128加密,信息传输安全性高。

2.2.2 TinyOS嵌入式操作系统

TinyOS是一个开源的嵌入式操作系统,主要应用于无线传感器网络方面。它基于一种组件(Component-Based)的架构方式,能够快速实现各种应用。TinyOS的程序采用的是模块化设计,所以它的程序核心往往都很小(一般来说核心代码和数据大概在400 Bytes左右),能够突破传感器存储资源少的限制,这能够让TinyOS很有效地运行在无线传感器网络上并去执行相应的管理工作。TinyOS本身提供了一系列的组件,可以很简单方便地用nesC语言编制程序,用来获取和处理传感器的数据并通过无线来传输信息。

TinyOS在构建无线传感器网络时,会有一个基地控制台,主要是用来控制各个传感器子节点,并聚集和处理它们所采集到的信息。TinyOS提供一系列可重用的组件,一个应用程序可以通过连接配置文件将各种组件连接起来,以完成它所需要的功能。TinyOS的应用程序都是基于事件驱动模式的,采用事件触发去唤醒传感器工作。可根据需要在TinyOS中控制ATmega128L进入以下6种睡眠模式:空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、待命模式以及扩展待命模式,以节省能耗。同时,各种睡眠模式都有各自的唤醒源,当有数据需要处理器处理时,便可由唤醒源将其唤醒,进入工作状态,一旦处理完成,再次进入睡眠状态。采用这种工作方式,节点能够最大限度地节约能耗。

3 系统实验测试

根据设备监测的需要采用振动和温度传感器节点构成如图10网络,其中基节点与PC主机通过串口连接,接收各传感器节点发送来的检测数据,传给主机显示处理。实验中,节点以20Hz的采样频率连续采集温度和振动数据,图1 1为接收到的未经数值标定的振动和温度数据。实际应用中,当设备正常运转时,节点以较长周期定时检测设备状态信息,以节省能量消耗延长节点工作时限。一旦检测到某项状态信息异常,如振动频率或幅值超过阀值,基节点将唤醒所有休眠节点进行持续采样,以为分析决策提供准确详细的数据。通过实验还验证了单个节点通信覆盖范围,在直线可视情况下有效通信距离为120m,在有机床设备等一般障碍物情况下有效通信距离为50～60m左右,满足多数工业现场的应用需要。

4 结论

本文在工业无线技术应用背景下将无线传感器网络应用于设备状态信息检测集成系统,针对各应用场合开发设计传感器节点。软件设计及硬件选型都充分考虑了节点成本和电池使用寿命,经过实验验证,系统运行可靠。由于对PLC信号的监控都由配套的组态软件完成,今后要分析PLC信号,并提取相关信号,完善整个工业设备状态信息检测与故障诊断集成系统。

参考文献

[1]陈勇钢，吴伯农．基于PTR8000的无线通信系统设计[J]．电子元器件应用，2006，8(4)：106-107．

[2]彭瑜．工业自动化和控制环境下实现无线通信的新近动态和标准进展[J]．自动化博览，2007，(4)：20-26．

[3]ATMEL.ATmega128 Datasheet[EB/OL].http://www.atmel. com/2006/AT mega 128 Datasheet.html.2006-03.

[4]Chipcon AS SmartRF CC2420 Preliminary Datasheet (rev 1.2), 2004-06-09.

[5]IEEE.IEEE 802.15.4-2006/2003[S].2006-06.

集成智能传感系统论文 篇4

浙江广信智能建筑研究院 叶建云 林静 郑世聪

【摘要】：智能化行业经过多年的发展，部分企业经营有方，脱颖而出，傲立于行业前沿，但是大部分企业面临着发展的瓶颈，甚至时刻面临着生存危险。直面困难，分析行业发展的特点和企业个体差异，制定并调整企业的经营战略，采用差异化和集中化相结合战略来创建可持续的核心竞争力，紧跟行业发展的步伐才能使企业个体立于不败之地。

【关键词】：智能化、差异化战略、集中化战略、核心竞争力、战略调整

【正文】：

0 引言

席卷全球的金融危机尚未结束，还在以不同方式影响着各个行业，对于我国来说，已经谨慎地宣布我们已经经历了最困难的时期，我们已然度过了难关，但是智能化行业的竞争却没有好转，竞争态势继续恶化，整个行业的利润不高、门槛降低，技术壁垒下降，市场日趋混乱，一些扰乱行业秩序的恶性竞争也越演越烈，很多企业，尤其是二、三线企业为了生存甚至采取了零利润竞争模式。在智能化行业鱼龙混杂的背景下，如何站稳脚跟、立足当前、展望未来，我们的智能化企业应该冷静下来认真分析一下我们遭遇的困境，把握行业面临的机遇，找出企业发展的局限，及时调整经营战略。智能化行业遭遇的困境

智能化行业中竞争的残酷性是有目共睹的，仔细分析行业遭遇的困境，我们才能看清行业的真实面貌，困境是必须面对的，我们无需逃避。

1.1 企业间同类化竞争

智能化行业中大部分企业的业务都相同，每个地区特别是发达省市专项资质企业就有几百家，在项目招标中，经常出现几十家企业同时报名参加竞标。

1.2 企业间低价竞争

现在招投标中有较大比例的项目采用最低评标价法，或者即使采用综合评分法其商务分值也较高（或报价最低为商务得分最高），或者干脆是最低价中标，企业为了中标，自然就响应低价。还有部分非公招项目，开发商为了压投资，在招标文件中说的是一套，实际操作又是另外一套，有的让应标单位多次报价，有的即使已经确定中标单位，在合同签订中又要进行不合理还价，处于弱势地位的工程商自然是无力招架。

1.3 系统集成技术含量低

智能化系统集成企业的施工过程中普遍技术含量偏低。其一是由于现在产品设计越来越傻瓜化，方便了施工；其二是产品厂家的支持力度越来越大，甚至产品商可以直接提供分包服务；其三是系统集成企业本身技术人员配备不足。如此几点造成了智能化系统集成企业的施工过程就像搭积木，像搬运工式的施工，进而造成企业施工队伍技术力量配置越来越弱，技术水平也越来越低。

1.4 行业整体工程质量不高

行业整体工程质量不高是相对设计或有关标准来说的，甚至大部分工程可以做得更好，但是在行业低价中标、挂靠、多次转包、分包等环境下最后实际进场施工的单位为了降低成本自然会想尽办法，偷工减料、以次充好、假冒伪劣就屡出不穷。或者有些企业本身就没有工程技术力量，勉强完工就已经是其最大目标，何来优质工程。另外由于智能化企业处于弱势又要创利，在工程施工中没有做优质工程的动力，自然不会主动做标化工地。

1.5 企业生存压力大

智能化系统集成企业处于恶劣的竞争环境下，其生存压力非常大，大部分企业均以承接施工工程为主导产业，没有承接项目意味着就没有收入，大量的员工工资、办公费用等等，除了缩减企业规模就是直接亏损。

1.6 行业技术更新快

智能化行业中技术发展非常快，这和信息、电子行业是相通的，新产品、新技术、新工艺层出不穷。许多智能化系统集成企业只管低头做项目，没有专门技术力量跟踪行业技术的发展，笔者参与的某些项目的方案论证中经常看到采用已经淘汰的产品或技术，或者设计时采用已经面临淘汰的技术，在施工时已然没有产品可以支持，到时自然带来大量的变更。2 智能化行业面临的机遇

智能化行业发展遭遇前所未有的挑战，智能化企业也面临着严峻的发展困境，我们既要分析处境，更要看到危机中存在的机遇，“危”与“机”并存。

2.1 技术更新速度快

新技术、新工艺、新产品不断涌现，带来了许多新的行业应用，甚至已经建设的工程项目也带来技术升级的需求。

2.2 政策支持高科技

国家推出的多项投资计划，重点在加快建设保障性安居工程、农村民生工程、基础设施、社会事业、环境保护、自主创新和结构调整以及灾后恢复重建，加快铁路、公路和机场等重大基础设施建设，加快城镇污水、垃圾处理设施建设和重点流域水污染防治，加强重点防护林和天然林资源保护工程建设等。

细分领域如节能减排方面：中国政府已经宣布，为应对气候变化，决定到2020年中国单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%—45%，低碳科技就是节能减排的最大推动力。智能化系统工程作为节能工程的重要手段之一，节能技术已日趋成为智能化发展的方向，其核心业务是建筑电气节能改造。预计未来几年建筑电气改造面积增速超过30%，为智能建筑电气节能工程市场提供了更为广阔的市场和机遇，公共建筑节能特别是大型公共建筑节能是重中之重。而为已建楼宇节能、工厂节能等提供诊断、设计、改造、运行、集成管理等行业解决方案也是即将到来的新兴领域。

2.3 行业范围更为广阔

随着电子、信息、计算机、物联网等技术的发展，智能化行业的应用范围越来越广阔，原来的智能建筑、小区、校园、工厂、交通、医院、金融、政府等应用也更像深层次发展。如今的智能电网、智能化场馆、智能边防、智能油气输送、信息化部队甚至现代化农业中的智能化应用也日渐推广。

2.4 已建项目的推动

智能化经过多年建设，大量的工程项目纷纷竣工，如此庞大的智能化项目，面临着专业运行、维护、升级改扩建等的需求，比如节能改造就是目前的最大热点。电子设备经过多年的使用也面临着设备更换、更新，改建工程更是目前新兴的热点。许多智能化项目建成后，在实际应用上并没有实现应有的效益，应用挖掘、应用创新也将孕育庞大的市场。3 智能化系统集成企业发展的局限

智能化行业中成功经营的企业均各有特色，但是大多发展困难的企业其受制因素终归差不多，我们必须进行分析和总结。

3.1 人力资源局限

目前大部分的智能化系统集成企业的业务模式均为工程项目施工，都是业务主导型。智能化工程是个劳动密集型+技术密集型的行业，从业务跟踪、方案建议、工程设计、招投标、施工、售后服务等等每个环节均需要大量技术人员的投入。在施工中有大量的基础工程，但是目前大部分企业要维持这样庞大的施工队伍似乎较少，按目前智能化工程项目平均工期1年计算，平均每个项目配备3个工人计算，要实现2亿工程额（平均每个项目1000万）就有20个项目，需要60个工人，按20%项目跟踪中标率计算，需要跟踪80多个项目，就至少要配备30多个二线技术设计、企业管理等人员，所以除了必须的管理人员外，施工工人会采用了大量的临时农民工，甚至分包、转包给包工头。

3.2 现场管理人员数量局限

按照规范的项目管理，现场管理人员必须到岗，出勤率70%以上，需要的五大员的数量也极为庞大。我们还是按每年2亿工程额估算，平均单项工程额1000万，就有20个单位项目，按每个项目平均一年工期，每个项目需配备5个现场管理岗位人员，就有将近100人的现场管理人员队伍，实际上我们的智能化系统集成企业能够配备20个整备项目组的是相当少的。即使实际管理人员不到位，证书到位那也是需要100本证的，所以有些企业为了应付现场管理会采取借证、挂证以及非现场管理人员持证顶包上岗的，有许多企业的五大员配置中实际岗位却是财务、出纳、采购、仓库、人事、文员等等。

3.3 技术储备局限

智能化行业涉及技术面广泛，有电子、通信、计算机、自动化、控制、电气、机电一体化、软件等等，每个专业技术都是目前发展比较迅速的行业，特别是电子、计算机、通讯等几乎每时都在产生新的技术和产品，而随着技术的发展各行各业的应用需求也越来越多，智能化、信息化、数字化改造扑面而来，然而每个应用的解决方案都需要相应的技术储备，没有技术含量或者拼凑出来的解决方案是没有竞争力的，立刻就会被别人跨越。有许多智能化系统集成企业的解决方案都是建立在产品供应商基础上，有的就是在产品供应商提供的解决方案基础上的简单排版，大都甚至不能理解方案的技术要点。

3.4 业务领域局限

智能化应用行业涉及领域面非常广泛，商务楼、小区、政府机关、企业、医院、厂矿、交通、公检法、金融、部队等等，每个智能化系统集成企业不可能涉及所有领域，由于业务人员及企业社会背景等的关系，其核心业务必然比较狭窄。其次每个企业由于经营限制不可能在所有地域开展业务，对于企业的发展必然带来一定的限制。

4智能化系统集成企业的战略调整

智能化系统集成企业在困境中要生存和成长，必须看清方向，及时调整战略。纵观古今，市场如战场，历览中外，商战若兵战，在市场经济的激励竞争中，识时机者“金风未动蝉先觉”而捷足先登，深谋远虑者“将军盘弓故不发” 而后发制人。企业生存发展与否，因数众多，但是经营战略的正确与否是决定性的因数。孙子兵法云：“夫未战而妙算胜者，得算多也”，处于逆境中的智能化系统集成企业只有善算、巧算、妙算才能在竞争中精于计谋，技高一筹，拔得先机。

战略，哈佛商学院迈克尔·波特教授认为战略就是做到与众不同，其本质是选择一套与其他竞争对手不同的活动，以提供独特的价值。企业必须避免由于企业间的相互模仿所导致的过度竞争，因为竞争对手可以迅速模仿其在投入、管理、技术及满足顾客需求方面的做法，会导致战略趋同，而战略趋同将导致众多企业在同一起跑线上赛跑，很容易形成恶性竞争。

企业经营的核心是“开源节流”，在战略管理中，就节流来说可选成本领先战略，而开源来说就是持续竞争优势战略的应用。看我们智能化行业目前的竞争格局，竞争优势来源于以企业自身资源或能力为基础，提供被顾客认为物有所值的产品或服务，相对于其他竞争对手而言能够更好创造顾客所需的价值。简言之，竞争优势就是要提高企业核心竞争力，夺取领先地位。在解决方案上我们应采取差异化战略，在市场竞争中我们采用集中化战略。

4.1 差异化战略

战略管理理论中定义，差异化战略是指在一定的行业范围内，企业向顾客提供的产品或服务与其他竞争对手相比独具特色、别具一格，使企业建立起独特的竞争优势。分析行业内某些成功企业的发展历程，符合差异化战略的占有多数，比如，有的企业定位于控制领域，工业控制、机电设备控制甚至轨道交通控制等并屡建功绩；有的企业定位于电子信息机房行业并树立起其领先地位；有的企业定位于交通控制领域，投入大量研发，提出了在领域内领先的智能交通解决方案，占有较大市场份额；有的企业定位于音影场馆，提供专业的解决方案，赢得了良好口碑；甚至有的企业仅定位在智能卡领域也一样取得优异的发展成绩。

差异化战略具有明显的优势：

（1）随着建设方对企业提供的解决方案的认可和依赖，可以为企业与竞争对手间形成一个隔离带；

（2）由于独具特色的解决方案，对其他新加入者形成强有力的产业进入屏障；

（3）由于行业内独具特色，在行业占有率上有优势，器材提供商自然会对企业有所迁就，从而增强企业对产品供应商的议价能力；

（4）通过差异化战略，使得建设方缺乏与本企业可比较的竞争对手可选择，降低了其对工程价格的敏感度，消弱顾客讨价还价的能力；

4.2集中化战略

集中化战略就是指将企业的市场竞争活动集中于某些特定的目标市场，古人云：伤其十指、不如断其一指，要集中优势力量打下目标行业和市场。马克·吐温曾说过：把所有的鸡蛋都装进一个篮子里，然后看好这个篮子就是同样的道理。

如前述分析，企业在没有发展到大而全之前，总具有一定的局限性，企业就必须扬长避短，发挥企业的优势资源抢占特定的目标市场，贪多嚼不烂。

4.3 核心竞争力

美国密西根大学商学院教授普拉哈拉德和伦敦商学院教授加里·哈默尔提出，核心竞争力就是指“在一个组织内部经过整合了的知识和技能，尤其是关于怎样协调多种生产技能和整合不同技术的知识和技能。” 从与产品或服务的关系角度来看，核心竞争力实际上是隐含在公司核心产品或服务里面的知识和技能，或者知识和技能的集合体。从另一个角度说核心竞争力就是一个企业能够长期获得竞争优势的能力。是企业所特有的、能够经得起时间考验的、具有延展性的，并且是竞争对手难以模仿的技术或能力。

对于我们智能化行业中大量同业务类型的竞争来说，是否具有核心竞争力就决定了其在市场中的定位，要不然就只有参与一些低层次、低技术含量的低端项目竞争。具有核心竞争力才能实现差异化和集中化战略的最佳效果。

4.4 如何提高核心竞争力

创立和培养企业的核心竞争力是个复杂的系统工程，须着重从以下几个方面入手：

（1）企业领导层强化创建核心竞争力的意识；

（2）企业成立专门小组，针对企业选定的目标，培育出一种或几种核心竞争力；

（3）通过物化资本的优化组合加快资本运行效率；

（4）加大科技开发投入，形成企业具有差异化的解决方案；

（5）要加大人才培养，建立人才开发计划；

（6）加强企业文化建设。结束语

经济发展规律表明，每一次危机都是优胜劣汰的过程，危机会孕育和催生新的机遇，可是机遇不会自己找上门来，只有懂“找”、会“找”、善“找”，才能抓住机遇，增强市场

集成智能传感系统论文 篇5

关键词建筑智能化；系统集成；Web服务；可扩展标记语言；OPC

中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)021-0169-01

随着智能建筑（Intelligent Building）这一新兴标准的提出与发展，人们对建筑领域在数据交换、安全性、宜居性和低碳性等方面提出了新的要求。智能建筑是当今世界建筑业的一个热点，也是未来“信息高速公路”的重要节点，它将智能建筑中分离的不同功能的子系统，通过一定的技术手段使之集成为一个相互关联的、统一协调的系统，以实现数据综合、信息共享和互操作，在建筑智能化领域，系统集成需求、应用正朝着基于Web、基于Internet的一体化集成的方向发展。

将OPC和XML技术引入建筑智能化系统集成，提出并建立各种基于Internet、跨平台的建筑集成应用系统，可以来大幅提升智能建筑中资源的使用效率，减少系统设备的管理维护费用支出，使得整个建筑管理系统具有良好的设备通用性、系统开放性、互操作性以及方便的后期维护性。OPC和XML技术为建筑智能化高层信息集成提供了新的技术途径。

1OPC技术

OPC技术是基于Microsoft公司的COM和DCOM技术的新一代工控软件规范，目前已成为工控领域内的一套专业标准，得到硬件设备制造商和工业控制软件开发商的支持。对于早期的计算机系统，为了实现不同的硬件和软件所构成的计算机之间的数据交换和通信，必须要花费很多时间去开发独自的通信程序，业界迫切的需要一种能够提供数据交换和通信的工业标准，来达到将不同的计算机相互连接进行类似互联网的数据交换，使得厂商能够更有效地把有限的精力投入到应用程序本身功能的开发中去。OPC为典型现场设备连接工业应用程序和自动化办公软件提供了一个数据传输访问接口规范和理想方法，用于在多个过程控制设备之间进行通讯。

OPC的作用就是在控制系统的软件中，为不同类型的服务器与不同类型的客户搭建一座“桥梁”，通过这座桥梁，各客户和服务器间形成即插即用的简单规范的链接关系，不同的客户软件能够访问任意的数据源。因此，开发商仅仅只需开根据实际情况开发一个OPC服务器，就可以访问底层的现场设备。同时，用户也不再需要花费精力考虑诸如系统中设备接口、系统集成扩展等问题，实现了工业控制系统的高度集成。

OPC基金会制定了各类OPC规范，并不断得进行升级和功能扩展以适应工业自动化领域的发展与变化。按照功能的不同，OPC基金会发布的OPC规范的分为 ：OPC数据存取规范、OPC报警和事件规范、OPC历史数据访问规范、OPC批处理规范、OPC安全规范、OPC DX数据交换规范和OPC XML DA技术规范。

2XML

XML（可扩展标记语言，Extensible Markup Language），是一门新兴的面向Internet应用的标识语言，它是由W3C （WorldWideWeb Consortium）组织于1998年2月制定的一种通用语言规范。XML是SGML的子集，其目标是允许普通的SGML在Web上以目前HTML的方式被服务、接收和处理。XML被设计成易于实现，且可在SGML和HTML之间互相操作。

XML是实现OPC XML和OPC DA服务的最为基础的技术，用于全面、灵活地描述具体应用里实例文档中出现的数据类型和结构，XML 主要有三个部分:文档类型定义：DTD （Document Type Definition）用于规定文档的逻辑结构，定义页面的元素、元素的属性以及元素和属性之间的关系；

可扩展样式语言XSL （ Extensible Style Language）用于规定XML文档样式的语言，能在客户端通过Web浏览器改变文档的表示法；可扩展链接语言XLL （ Extensive L inkLanguage）支持目前Web上已有的简单链接，并将进一步扩展链接，包括结束死链接及间接链接。

XML独立于生产厂商，可以跨平台运用，允许不同来源的数据无缝集成，适于异构应用间的数据共享，是数据交换、应用集成的首选。

3基于OPC和XML技术的建筑智能化系统集成应用实现

在建筑智能化系统发展的早期，系统规模小，控制对象少而简单，各个系统间彼此相对独立，信息共享主要依赖手工传递，维护管理工作处于半自动化状态。当前随着对建筑功能需求的不断增加和现代通信、计算机及网络技术的不断发展，建筑智能化系统集成内容相当广泛，涉及到冷暖空调监控系统、供配电监测系统、燃气泄漏系统等30多个子系统，但是子系统与子系统之间、系统运行与管理之间往往相互独立，无法实现统一协同，成为一个个“信息孤岛”，无法满足基于Web的一体化智能建筑系统集成需求。怎样实现智能建筑各子系统之间的实时数据交换和集成，越来越成为人们关注的焦点。

OPC XML DA技术作为一项工业标准近两年在国内外得到了广泛的关注，不少高校、研究机构和制造厂商都展开了对OPC XML DA技术的研究和应用。基于OPC和XML的OPC XML DA规范的发布虽然使得用户系统能够通过Internet发布OPC数据信息，但是在实际应用中需要已开发好的OPC XML DA服务器支持，同时应用程序开发较为复杂，需要专门的工控软件开发公司支持。

综合OPC 和XML技术的各自优势，将它们引入到建筑智能化领域，我们提出了基于OPC和XML技术的建筑智能化系统集成简化方案，在用户对OPC XML DA规范具体内容不了解的情况下，可以轻松地解决用户提出的基于Web的一体化智能建筑系统一般性集成要求，能够达到提高建筑智能化系统的互操作性和整体运行优化目的，在高层实现信息共享和交换，可以解决基于Internet的一体化集成的需求。

图1使用.NET工具开发OPC客户端

在已开发的空调系统监控设备OPC XML Web服务的基础之上，客户端程序可以访问并集成这些服务，这些应用系统包括智能设备的监视应用、控制应用、分析应用等等。同时，通过 XML技术对数据的封装，可以在跨平台的系统之间轻松地交换数据，对程序开发人员来说，在互联网上的不兼容系统平台之间交换数据是一项非常繁琐、容易出错的工作。而采用XML技术封装的数据则可以轻松的在各种不兼容的平台或应用程序进行交换，大大降低了数据传输的复杂性。XML 数据以文本格式存储，这使得 XML 在不损失数据的情况下，更容易扩展或升级到新的操作系统、新应用程序或新的浏览器。由此，工程监管人员要想知道现场设备的运行情况，并不需要亲临现场，而只需从网络上取得经由XML语言封装好的OPC数据包，在自己的计算机上查看即可。

程序开始执行后，点击温度显示按钮后在智能建筑中央空调中各个水冷器罐体的温度变化即显示在程序界面上，如图1所示。点击XML转换后，可将某个罐体的实时温度值通过XML技术封装，转换为XML文档保存。这种XML文档上传至Internet即可满足用户在任何地点，通过任何平台监测数据的需求，让管理人员和系统各部门都能看到过去只有现场操作人员才能看到的生产现场的实时状况，为决策、调度、检修等提供了参考数据，确保了设备安全、经济的运行。通过将分布的、平台无关的OPC XML和OPC DA服务集成到统一的用户界面上来，从而达到智能化系统集成的目的，验证了基于OPC和XML技术的建筑智能化系统集成的可行性。

4结论

将OPC和XML技术应用于建筑智能化系统集成，可以实现智能建筑系统的信息综合、资源共享、设备互操作，以达到提高建筑智能化系统的互操作性和整体运行优化。在高层实现信息共享和交换，可以解决基于Internet的一体化集成的需求，能够满足远程用户对需求参数的监视和控制，在互联网上真正可以在线获得完整而及时的信息，具有非常广阔的前景。

参考文献

[1]王波,卿晓霞.智能建筑基础教程[M].重庆大学出版社,2002.

[2]OPC DA 3.00 Specification[S].The OPC Foundation ,2003.

[3]林晟,张光新,周泽魁. OPC的新发展—XML[J].机电工程,2004,9.

[4]MarkBirbect,裴剑锋,高伟等译.XML高级编程(第2版)[M].机械工业出版社,2002.

[5]廖国富,王波.OPC XML Web服务—智能化系统集成的高层解决方案[D].智能与绿色建筑文集,2005,3.

集成智能传感系统论文 篇6

基于ARM的船用传感器集成平台是一种新型船用数据采集装置, 它可以连接船舶机舱内十多种模拟式和数字式传感器, 模拟式如温度、压力、流量等传感器数字式如转速、液位等传感器。系统可自动完成一个或多个传感器的独立或融合测量及控制, 并应用于中小型船舶机舱集中监视与报警系统或海船船员适任考试培训教学中。

1.1 系统主控电路设计

SDRAM HY57V641620HG数据总线宽度为16位, 系统对SDRAM读写操作时, 忽略地址线A0, 而从A1开始。其行列地址线复用, 共20根地址线, 12根行地址线, 8根列地址线, 两根Bank选择线, 可选4个分区, 容量为1M×4banks×16bits=8MBytes。与S3C44B0X的内存映射SDRAM地址0x0C000000H~0x0DFFFFFFH和0x0E000000H~0x0FF FFFFFH对应的片选信号为nGCS6和nGCS7。选用nGCS6作为SDRAM (HY57V641620G) 的片选信号, 其容量为8MB字节, 地址范围是0x0C000000H~0x0C7FFFFFH。

1.2 测控电路设计

模拟传感器测量电路:被测模拟式传感器信号范围为双极性V, 最高频率≤10kHZ, 为此选用12位逐次比较型A/D转换器芯片MAX1246, 它采用单/双极性可编程工作模式、高带宽的采样/保持器、采样速率可达133ksps;3线串行SPI接口, 与S3C44B0X的SPI接口兼容;其工作电压范围为+2.7V至3.6V, 133ksps时仅4mW的低功耗。

1.3 该集成平台的先进性

该系统将先进的ARM嵌入式技术应用于船舶机舱集中监视与报警系统中, 给出了具体的实现方法和设计, 该方案简化了系统的结构, 可改善船舶的操纵性能, 提高主机工作的可靠性、经济性和船舶航行的安全性, 为进一步实现无人机舱创造了必要条件。

2 基于Web测控技术的船用传感器监控单元

2.1 监控单元硬件设计

船用传感器监控单元的硬件主要包括传感器局域网监控单元、传感器模拟量测量电路以及传感器数字量的测量, 本文主要介绍局域网的监控单元。

船用传感器局域网监控单元是建立在基于8位嵌入式微控制器SST89E564基础上的。SST89E564微控制器采用51微控制器内核, 与MCS-5指令完全兼容, 大多指令只需要1或2个系统时钟周期。提供I2C、SPI、串口等接口, 可以很方便地扩展模拟外设;网络控制器采用RTL8019AS, 通过对其控制寄存器进行初始化后, 能够完成曼切斯特编码的检测、以太网数据帧的接收和发送、MAC地址匹配、CRC校验等诸多功能。芯片内嵌16KSRAM, 用作数据接收和发送缓冲区, 降低对微处理器的速度要求, 支持全双工通信, 数据接收和发送同时达到10Mbit/s的速率。

2.2 监控单元软件设计

系统的软件必须包含一个main () 函数, 系统上电后将从此处开始执行, 因此必须在此对系统进行初始化设置。初始化包括:看门狗设置、系统RAM区分配、系统时钟设置、定时器初始化、I/O口设置、A/D转换初始化、网络控制器初始化、ARP高速缓冲区清空、TCP连接池清空、Web服务初始化、系统中断初始化、全局变量初始化等。通常main () 函数为系统功能调用入口。main () 函数主体为while (1) 永久循环, 在循环体中检测事务处理标志变量 (全局变量) , 执行相应的处理函数, 从而实现系统功能。

2.3 该监控单元的优越性

它采用的是B/S架构, 既可为放置于高级船员处的远程终端调用, 以实时掌握重要的监测参数, 及时发现处理、运行故障提高设备的运行可靠性, 也可为培训船员的实训课程, 提供实时学习与观察手段。

3 结语

基于ARM的船用传感器集成平台和基于Web测控技术的船用传感器监控单元是如今在船机系统上应用的比较多的两大技术, 也是两项新科技。在实际应用当中有着独特的优越性, 但是与此同时也有一定的劣势, 所以我们相关的工作人员要提高自己的业务水平, 增强这方面的学习, 从而不能不断完善这两项技术, 能够更好的为船机事业做贡献。

参考文献

[1]吕世霞, 王京, 李金义, 等.基于ARM的手持智能终端系统的搭建[J].机床与液压, 2010 (10) .

[2]田祎敏.基于ARM的嵌入式教学实验装置的设计与实现[J].科技资讯, 2010 (7) .

环境智能传感系统研制 篇7

目前我国温室环境监控系统结构较简单,环境调控能力弱,导致综合调控水平低。而传统的环境参数测量及调节的方法存在设备安装和维护工作量大的缺点。有线通信方式,难以保证数据的及时性,准确性及监控的高效性,不利于在大面积温室环境的集中远程监控和温室环境数据综合应用,更难与农业专家系统实现无缝链接[2]。

为满足现代温室环境远程监控和与农业专家系统无缝连接的要求,本文设计并实现了一种温室环境远程监控与应用的智能无线传感系统。系统传感节点以MCU51为主控芯片,通过光强、温湿度及二氧化碳浓度传感器实时采集环境参数,所得到的环境参数通过Zig Bee网络传到系统的Zig Bee-Wi Fi无线网关,该网关既是Zig Bee网的协调器,又是无线Wi Fi的节点。通过网关转换,环境参数可以在Internet上得到应用并可与农业专家系统实现无缝连接。

1 环境智能传感器网络硬件设计

1.1 硬件总体结构

环境智能传感网系统硬件基本结构如图1所示,传感网的节点是以MCU51为主控芯片,连接光强、温湿度、二氧化碳浓度传感器,实现对环境参数的测量传输,测量的数据通过Zig Bee-Wi Fi网关传送到上位机。上位机既可以显示智能节点发送的监测环境参数,供工作人员查询记录,也可发送命令改善农作物生长的温室环境。

1.2 Zig Bee-Wi Fi网关

Zig Bee和Wi Fi各自具特点,并且有互补性,二者结合具有很好的应用前景[3]。基于Zig Bee技术的无线传感器网络具有可快部署、成本低、无人值守等优点,但其无线传输数据速率低,需与Wi Fi技术相结合,才能组建远程无线监控应用。

Zig Bee-Wi Fi网关在Zig Bee网络中作为协调器一直处于监听状态,采用自组织方式组网,可随时建立无线通信链路[4]。Zig Bee-Wi Fi网关同时又是Wi Fi网络的一个节点,环境参数经网关转换后可实现Internet的远程应用,为用户提供实时监控服务[5]。Wi Fi无线模块添加进控制系统之后,就可以基于TCP/IP协议开发各种网络应用程序。

1.3 智能传感节点

无线传感网络智能节点外接传感器有温湿度、光强、二氧化碳浓度。传感器采集环境参数数据,将通过Zig Bee模块发送Zig Bee-WIFI网关。环境无线智能传感节点的硬件结构如图2所示。

无线传感网智能节点是整个系统的数据采集和环境调控主要执行机构,无线传感网智能节点的软件流程图如3所示:

智能节点加电后首先进行初始化,启动Zig Bee无线模块,设备加入网络后建立绑定后即可进行数据接收和发送。启动传感器采集数据并将获得的环境参数打包发送;接收时首先将接收到的数据解包,根据接收到的数据进行相应环境参数调控处理,如控制相应的继电器打开或者关闭有关设备。

2 远程应用软件及其实现

环境参数被采集并通过Zig Bee-Wi Fi网关发送到PDA、手机、平板电脑或者PC上,进行多种形式监控温室环境,也可发布到Internet上,并将有关数据保存在指定位置,根据专家系统对温室环境进行调控。远程应用程序实现的主要功能有温室环境的实时监测、人工监控以及自动监控三大功能。

远程应用程序与Zig Bee-Wi Fi网关之间的通信通过Socket来完成[6]。常用的套接字有两种,即流式套接字和数据报套接字。本网络通信程序使用TCP/IP协议下的流式套接字编写[7]。通过对Socket的读、写操作实现网络通信功能。

在监控系统与上位机进行数据交互时,启用多线程技术。Socket和多线程结合可以满足应用程序之间数据通信的要求,同时进行数据发送与接收[8]。多线程和进程联系在一起,进程是应用程序的执行实例,每个进程是由私有的虚拟地址空间、代码、数据等系统资源组成的,所有资源在进程终止时释放。而线程是进程内部的一个执行单元,每个进程至少有一个线程—主执行线程,无须用户创建,是由系统在程序启动后创建的,用户可根据需要在应用程序中建立其它的线程,多个线程并发运行在同一进程中[9]。一个进程的多个线程都在该进程的虚拟地址空间中,使用共有的资源。多线程就是允许单个程序创建多个并行执行的线程来完成各自的任务,可以更好地利用系统资源,用尽可能少的时间来对用户的要求做出响应,使得进程的整体运行效率得到较大提高,同时增强了应用程序的灵活性[10]。

监测数据与上位机通信是基于C/S模式的远程应用软件,本系统是将Wi Fi-Zig Bee网关作为服务器端,基于Windows XP操作系统的PC作为客户端。利用Socket编写客户端程序,架构用户界面,接收或传送数据,响应服务器的发送监测温室环境参数,完成对温室环境的实时控制。Socket是网络通信的基本单元,它提供了不同主机间进程双向通信的端点。软件流程图如图4所示。

系统的服务器要始终有处于运行状态,随时等待上位机客户端的连接请求,将智能节点的监控数据发送到PC端。上位机监控端作为客户端,连接服务器后便接收监测数据,可发送相应的命令或将监测数据发布到Internet上,在发送命令和数据时要调用端口控制代码。上位机发送命令到测控终端,测控终端接收后,判断是发送存储的温度数据还是改变控制参数,实现数据采样收集和现场控制的目标。实时监测数据如图5所示。

Zigbee-WiFi网关作为服务器端,设置的I P地址为:192.168.1.123;端口号为:60000。每个传感节点发送数据的格式为:

FD+长度+目标地址+数据+来源地址

其中:FD为数据起始标识;长度为该数据包中有效数据字节数,测试时为08;目标地址为Zig Bee网络协调器地址,本测试中为00 00共2个字节;数据为环境参数,依次为温度、湿度、光强、CO2浓度;来源地址为传感节点在Zig Bee中的地址,为2个字节。

3 结论

本系统的设计实现并满足现代温室环境远程监控和与农业专家系统无缝连接的要求。利用NXP LPC1766作为主控芯片,设计实现了一个Zig BeeWi Fi网关。利用此网关实现了温室环境参数从Zig Bee到无线以太网的双向转发。采用MCU51、传感器和CC2530芯片硬件实现了无线智能传感节点,并预留其他传感器接口以方便节点功能的扩展。

采用Socket和多线程技术,实现了一个基于C/S模式的远程应用软件,实现温室环境的远程监测、人工监控和自动监控。与农业专家系统实现无缝连接,保存的温室环境参数可为温室管理、农作物生长、病虫害诊断等提供可靠的数据。系统实现了温室环境的远程监控,提升了温室环境监控的自动化水平。

参考文献

[1]梁竹君,武丽.环境监控技术在设施农业中的应用[J].安徽农业科学,2009,37(16):7672-7673,7753.

[2]代媛,何东健,张建峰.基于ZigBee的农业信息无线传输网络研究与实现[J].传感器与微系统,2010,29(7):14-20.

[3]王建国,郭宝亿.基于ZigBee和WiFi相结合的楼宇监测系统[J].西安工业大学学报,2008,28(5):460-465.

[4]姜文刚,蔡蓝图.智能家居无线传感器网络的研究[J].江苏科技大学学报:自然科学版,2010,24(2):170-173.

[5]刘红义,赵方,李朝辉,等.一种基于WiFi传感器网络的室内外环境远程监测系统设计与实现[J].计算机研究与发展,2010,47(z2):361-365.

[6]马增炜,马锦儒,李亚敏.基于WIFI的智能温室监控系统设计[J].农机化研究,2011,33(2):154-160.

[7]王艳平.Windows网络与通信程序设计(第2版)[M].北京:人民邮电出版社,2009.

[8]张允刚,刘常春,刘伟,等.基于Socket和多线程的远程监控系统[J].控制工程,2006,13(2):175-177.

[9]周学威,闫鑫,赵榉云,等.基于SOCKET的多线程下载工具的开发[J].电子测试,2011,(8):104-106.