基于物联网技术的设备温湿度远程监测系统研究

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ　　　　　ｊｇｙｇｙ　　Ｊｕｎ．２０１３Ｖｏｌ．２５Ｎｏ．３，

：／ｄｏｉ１０．３９６９．ｉｓｓｎ．１６７１８７９８．２０１３．０３．００８－ｊ

基于物联网技术的设备温湿度远程监测系统研究

张震宇，王洁伟，华群辉

（）浙江科技学院自动化与电气工程学院，杭州３１００２３

摘　要：针对目前大部分工厂的生产设备缺乏有效的计算机监测系统这一现状，研究了一种基于物联网技术的远程监测系统。它以Ａ以无线射频数据传输为手段，应用计算机管理软件和网络技术，将整ＲＭ处理器为核心，个系统构成一个物联网，实现了对设备的全自动化温湿度远程监测。同时介绍了该系统的基本工作原理，描述分析了模块化软件设计要点，归纳了该系统的特点。该系统是物联网技术在工业上的了系统的整体硬件构成，

一个典型应用案例，可在相关行业中推广应用。

关键词：物联网；远程监测；无线通信；温湿度传感器ＡＲＭ；

（）中图分类号：ＴＮ９１９．７２；ＴＰ２１２．９　　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１６７１８７９８２０１３０３０１９４０６－－－Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｓｓｔｅｍｏｆｔｅｍｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔ　　　　　　　ｇｙｐｙ　

ｆｏｒｅｕｉｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎＩＯＴｔｅｃｈｎｏｌｏ　　　　　ｑｐｇｙ

，ＨＵＡ　ＺＨＡＮＧＺｈｅｎｕ，ＷＡＮＧＪｉｅｗｅｉＱｕｎｈｕｉ　　ｙ

（，ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎＺｈｅｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆ　　　　　ｇｇｊｇｙ　　

，Ｈ）ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏａｎｚｈｏｕ３１００２３，Ｃｈｉｎａ　　　ｇｙｇ

：，ＡｂｓｔｒａｃｔＣｕｒｒｅｎｔｌｍｏｓｔｏｆｔｈｅｒｏｄｕｃｔｉｏｎｅｕｉｍｅｎｔｓｉｎｔｈｅｆａｃｔｏｒａｒｅｌａｃｋｏｆｅｆｆｅｃｔｉｖｅｃｏｍｕｔｅｒ　　　　　　　　　　　ｙｐｑｐｙｐ　，，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｓｓｔｅｍ．Ｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｉｓｓｉｔｕａｔｉｏｎａｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｓｓｔｅｍｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｂａｓｉｎｏｎ　　　　　　　　ｇｙｇｙｇ　　　，ｉｎｔｅｒｎｅｔｏｆｔｈｉｎｓ（ＩＯＴ）ｔｅｃｈｎｏｌｏ．ＴｈｅｓｓｔｅｍｔａｋｅｓＡＲＭ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｓｔｈｅｃｏｒｅａｎｄｔｈｅ　　　　　　　　　ｇｇｙｙ，ｗｉｒｅｌｅｓｓｒａｄｉｏｆｒｅｕｅｎｃｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｓｔｈｅｍｅａｎｓ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅｔｈｅｃｏｍｕｔｅｒｍａｎａｅｍｅｎｔ　　　　　　　　ｑｙｐｇ　，ｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｎｅｔｗｏｒｋｔｅｃｈｎｏｌｏｉｓａｌｉｅｄ．ＴｈｕｓｔｈｅｗｈｏｌｅｓｓｔｅｍｉｓｃｏｍｂｉｎｅｄｉｎｔｏａｎＩＯＴ，ａｎｄｔｈｅ　　　　　　　　　　　　ｇｙｐｐｙ　ａｕｔｏｍａｔｉｃｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｅｍｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｆｏｒｔｈｅｅｕｉｍｅｎｔｓｉｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅ　　　　　　　　　　ｇｐｙｑｐ　　，，ｂａｓｉｃｗｏｒｋｉｎｒｉｎｃｉｌｅｏｆｔｈｅｓｓｔｅｍｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄａｎｄ　　　　　　　　　　　ｇｐｐｙ　，ｔｈｅｍｏｄｕｌａｒｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｎｅｌｅｍｅｎｔｓａｒｅａｎａｌｚｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｓｔｅｍａｒｅ　　　　　　　　　　　ｇｙｙ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ＴｈｅｓｓｔｅｍｉｓａｔｉｃａｌａｌｉｃａｔｉｏｎｃａｓｅｏｆＩＯＴｉｎｉｎｄｕｓｔｒａｎｄｒｅｌａｔｅｄａｌｉｃａｔｉｏｎ　　　　　　　　　　　　ｙｙｐｐｐｙｐｐｃａｎｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．ｒｏｍｏｔｉｏｎｓ　　　　　　　ｐ

：；；；ＡＫｅｗｏｒｄｓｉｎｔｅｒｎｅｔｏｆｔｈｉｎｓｒｅｍｏｔｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＲＭ；ｔｅｍｅｒａｔｕｒｅａｎｄ　　　　　ｇｇｐｙ　ｈｕｍｉｄｉｔｓｅｎｓｏｒｙ　

收稿日期：２０１３０３０１－－）基金项目：浙江科技学院自制实验仪器设备项目（ＺＺＳＢ２０１２０６

—　），作者简介：张震宇（男，浙江省兰溪人，副教授，硕士，主要从事电子技术、无线通信技术等研究和应用。１９７６

第３期张震宇，等：基于物联网技术的设备温湿度远程监测系统研究

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中国大多数中小型企业的生产设备以“单机”方式运行，即每台设备各自工作，不和因特网　　目前，

连接，其工况主要依靠人工监测。以塑料加工厂为例，其主要设备是注塑机，在生产作业过程中，注塑机的相关物理参数会发生变化，可能导致出现大量次品。为防止这种情况发生，需安排专人监测注塑机的在中国劳动力成本不断上升、信息技术迅猛发展的今天，这样做不仅浪费人力、物力，也不符合工况参数，

科技发展的潮流。因此，利用自动化、信息化技术对这些生产设备进行监测，已刻不容缓，势在必行。

现有的工厂设备监控以采用有线方式为主，通过将设备节点、中继器及监控中心组成ＲＳ４８５、ＣＡＮ等控制网络，设备节点被纳入控制管理系统。这样大大提高了监控效率，同时节省了人力成本，但有线方式最大的缺点是其布线过程繁琐，施工难度取决于具体场地情况。

物联网的概念最早是由麻省理工学院（于１其最初的设想是为商品供应链中使ＭＩＴ）９９９年提出的，用Ｒ随着物联网应用领域的不断扩大，物联网的概念也开始ＦＩＤ或ＥＰＣ的公司进行信息化操作和管理，得到很大的拓展。目前普遍较为认可的物联网定义是：通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智

１］

。因其“能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络［物物相联”的特点，物联网一经出现便在全球得

到了广泛的应用，典型的有物流、监控、智能家居、交通等行业。

笔者从物联网的基本概念出发，通过应用近距离无线通信技术，研究了一种设备远程监测系统，适用配置灵活、功能完善，有较高的性价比，是物联网技术在工业上推于制造业工厂车间。该系统架构简洁、广应用的一个典型案例。

１　系统硬件构成

按结构层次，整个系统自下而上可分为现场数据采集节点、中心节点和计算机三部分。每个采集节点由温湿度传感器、主控模块和无线通信模块组成，中心节点由主控模块和无线通信模块组成，计算机则是整个系统的管理中枢。该系统的整体硬件构成如图１所示。

图１　系统整体硬件构成示意图

Ｆｉ．１　Ｄｉａｒａｍｏｆｏｖｅｒａｌｌｈａｒｄｗａｒｅｃｏｍｏｓｉｔｉｏｎｆｏｒｓｓｔｅｍ　　　　　　ｇｐｙｇ

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浙江科技学院学报第２５卷

１．１　现场数据采集节点

现场数据采集节点是本系统的最底层，置于车间现场，每台设备一般配备１个采集节点。其主要作用是通过和中心节点进行双向无线通信，根据中心节点发出的功能指令，采集设备上待监测的相关物理并发送至中心节点。该节点主要由温湿度传感器ＡＭ参数，２３０１、Ｓｉ４４３２无线射频电路和ＰＩＣ１６Ｆ６９０单

［］片机等构成。ＡＭ其温度测量范围为－４分辨２３０１是一款单总线式的一体化温湿度传感器２，０～８０℃，

），），率为０．相对湿度分辨率为０．典型工作电压为５Ｖ，适合作为车间设备温湿１℃（１６ｂｉｔ１％ＲＨ（１６ｂｉｔ度监测之用。Ｓ低功耗和多频段的Ｅｉ４４３２无线射频电路是ＳｉｌｉｃｏｎＬａｂｓ公司推出的一款高集成度、ＺＲａ　－［］

是一个Ｃ包含了所有ＩｄｉｏＰｒｏ系统无线通信芯片３，ＭＯＳ射频集成电路，ＳＭ频段应用所需的发射和接收功

／／／能，可工作在３其典型工作电压为３１５４３３８６８９１５ＭＨｚ的４个频段，．３Ｖ。Ｓｉ４４３２外围电路设计非常简，洁，只需１个晶振，再加上几个电容和电感即可。射频前端采用了分集式开关电路Ｓ以实现无线ＫＹ１３２６７发送和接收的自动切换。Ｐ其抗干ＩＣ１６Ｆ６９０单片机是ＭｉｃｒｏｃｈｉＩＳＣ型工业级８位ＭＣＵ，ｐ公司推出的一款Ｒ

］４

，扰能力强、功耗低，内部资源丰富［配置了外部中断、定时器、看门狗等常用功能模块，非常适合用于工业控

，制，其典型工作电压为３其中有２个等级的电压，一路是５Ｖ电源适配器直．３Ｖ。采集节点电路原理见图２接输出，供给传感器；另一路是５Ｖ电压经ＡＭ供给无线射频电路和单片机。Ｓ１１１７降压后得到３．３Ｖ，

图２　采集节点电路原理图

Ｆｉ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｃｉｒｃｕｉｔｏｆｄａｔａａｃｕｉｓｔｉｏｎｎｏｄｅ　　　　　ｑｇ

１．２　中心节点

中心节点处于本系统的中间层，是联系采集节点和管理计算机的桥梁。该节点一方面和多个采集节点进行一对多无线通信，进行指令和数据的交互；另一方面和管理计算机通过Ｕ接ＳＢ２．０方式进行通信，收来自计算机的命令，并将来自现场的设备工况数据传输至计算机，由计算机软件对这些数据进行相关处理。该节点主要由Ｓｉ４４３２无线射频电路和ＡＲＭ处理器等构成，ＡＲＭ处理器选用了ＳＴ公司的

第３期张震宇，等：基于物联网技术的设备温湿度远程监测系统研究

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［］

这是一款基于ＡＲＭ－具有ＳＴＭ３２Ｆ１０７ＶＣＴ６，ＣｏｒｅｔｅｘＭ３内核的３２位ＲＩＳＣ型高性能微处理器５，　

各种功能接口齐全，包２５６ｋＢ的Ｆｌａｓｈ程序存储空间和６４ｋＢ的ＲＡＭ数据存储空间，ＧＰＩＯ资源丰富，、，括Ｕ采用３ＳＢ、ＲＪ４５网络接口、ＳＰＩＩ２Ｃ、ＣＡＮＢＵＳ、ＵＳＡＲＴ等。中心节点的电路原理见图３．３Ｖ供电。

图３　中心节点电路原理图Ｆｉ．３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｃｉｒｃｕｉｔｏｆｃｅｎｔｅｒｎｏｄｅ　　　　ｇ

１．３　计算机

计算机处于本系统的最高层，是整个系统的管理中枢。计算机既是本地管理计算机，又是网络服务具有菜单条、命令按钮、监控画面等，温湿度实时监测数据可显示在参器。在计算机上设计有管理软件，

数曲线上。同时，在后台设计有Ｓ设备的温湿度历史数据、是否发生参数超限报警、事件发生ＱＬ数据库，时间等所有重要信息都可存储在该数据库中，以备查询。当工作人员不在现场时，可通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ在异

６］

。该计算机和中心节点通过Ｕ地实现远程监测［计算机通过管理软件发指令给中ＳＢ２．０方式进行通信，

心节点，在获取来自现场数据采集节点的相关数据后进行相关处理。

２　系统软件设计

系统软件按功能自下而上分为３个部分：采集节点软件，中心节点软件和上位机管理软件。其中，采集节点软件和中心节点软件采用Ｃ语言编写，上位机管理监测软件采用均应用了函数化代码风格，以方便后续维护和升级。ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ语言编写，　２．１　现场数据采集节点软件设计

采集节点软件设计包括ＡＭ２３０１温湿度传感器模块驱动及由Ｐ完Ｓｉ４４３２无线通信模块发送和接收，ＩＣ１６Ｆ６９０单片机协制，成现场节点的数据采集并发送给中心节点。２．１．１　ＡＭ２３０１模块驱动

其数据定义为：一次传送４ＡＭ２３０１以单总线传输数据，０位数据，高位先出，发送的数据依次为湿度高位、湿度低位、温度高位、温度低位和校验位，ＰＩＣ１６Ｆ６９０单片机每２ｓ读取１次温湿度数值。２．１．２　Ｓｉ４４３２模块接收和发送

当采集节点接收到中心节点发来的指令数据时，首先判断其地址码是否和本采集节点的地址相匹配，若是，则现场数据采集节点的

然后把采集到的图４　现场数据采集节点工作流程图ＰＩＣ１６Ｆ６９０单片机驱动ＡＭ２３０１会进行温湿度采集，

原始数据（总计５字节）写入Ｓ发送给中心节ｉ４４３２模块的发送缓冲区，Ｆｉ．４　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆａｃｕｉｓｉｔｉｏｎ　　ｑｇ点。现场数据采集节点的工作流程如图４所示。

ｂｆｉｅｌｄｎｏｄｅ　ｙ　

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浙江科技学院学报第２５卷

２．２　现场数据采集节点与中心节点的无线通信机制

，软件将Ｓ传输速率设定为ｉ４４３２的工作频率设定为４３３ＭＨｚ

／，经实测，无线通信距离可稳定在３中心节点下发１．２ｋｂｓ００ｍ以上。通信数据按类型可分为指令数据（，和反馈数据（采集节点反馈给中心节点的）每个数据包含有８个字节，具体通信数据格式给采集节点的）如表１、表２所示。

表１　Ｓｉ４４３２指令数据格式表

Ｔａｂｌｅ１　ＴａｂｌｅｏｆｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄａｔａｆｏｒｍａｔｆｏｒＳｉ４４３２　　　　　　　

地址码１

地址码２

指令码

表２　Ｓｉ４４３２反馈数据格式表

Ｔａｂｌｅ２　ＴａｂｌｅｏｆｆｅｅｄｂａｃｋｄａｔａｆｏｒｍａｔｆｏｒＳｉ４４３２　　　　　　　

地址码１

地址码２

湿度高位

湿度低位

温度高位

温度低位

温湿度校验位

数据包校验位

数据包校验位

首先，由中心主节点将含有地址与指令码的数据包发　　在采集节点和中心节点进行无线数据交互时，

送给所有现场数据采集节点，所有采集节点进行地址匹配；然后，匹配成功的采集节点对指令解码，并据此读取传感器数据；最后，该采集节点将含有地址与数据的数据包反馈给中心节点。中心节点和当前地便开始和下一个地址的采集节点进行同样的交互，直至所有地址的采集节点址的采集节点交互完毕后，交互完毕。

２．３　中心节点软件设计

中心节点作为中继，将现场数据采集节点与上位管理计算机联系起来，其软件设计包括ＵＳＢ通信及Ｓｉ４４３２模块接收与发射。首先，由管理软件发出获取温湿度数值命令，通过ＵＳＢ２．０接口和协议传输给中心节点；然后，中心节点把该命令通过无线通信方式发送给现场数据采集节点，并等待数据反馈，采集节点将所中心节点通过Ｕ测得的温湿度数值发送给中心节点后，ＳＢ方式传输至计算机；最后，由计算机管理软件进行相关数据运算和处理。中心节点的工作流程如图５所示。２．４　ＰＣ端管理监测软件及数据库设计

利用Ｖ在ＰｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０编程环境，Ｃ机平台上进行了工厂　　设备远程监测系统软件设计工作，设计了带有完整功能按钮及文本对话框的界面，用户使用时简洁、直观。借助于该软件，授权用户可实时监测工厂设备的温湿度数值，并根据实际需要灵活设置设备的温湿度报警值。同时，该软件和计算机后台数据库相关，数据库采用ＳＱＬＳｅｖｅｒ２００５软件　　设计而成，其主要字段包括用户信息、各现场数据采集节点的温湿度数值记录、用户登录信息、报警记录等，授权用户可对该数据库进行相关的增删、更改等操作。若授权用户需在异地使用该／监测系统，则可按照Ｔ通过ＩＣＰＩＰ协议，ｎｔｅｒｎｅｔ

７］

，进入到该计算机［输入用户名和密码后，即可

图５　中心节点工作流程图Ｆｉ．５　Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｃｅｎｔｒａｌｎｏｄｅ　　　ｇ

进入整个软件系统，进行查询和数据库管理等操作。图６所示为计算机管理软件的主界面，图７所示为温湿度实时监测曲线，图８所示为数据库历史记录查询情况。

图６　计算机管理软件主界面图Ｆｉ．６　Ｍａｉｎｉｎｔｅｒｆａｃｅｄｉａｒａｍｏｆｃｏｍｕｔｅｒ　　　　ｇｐｇ

ｍａｎａｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅ　ｇ

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图７　温湿度实时监测曲线图Ｆｉ．７　Ｒｅａｌｔｉｍｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｃｕｒｖｅｏｆ－　　ｇｇ　

ａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ　　ｙｐ

图８　数据库历史记录查询情况图ｕｅｒＦｉ．８　Ｈｉｓｔｏｒｒｅｃｏｒｄ　ｑｙｙｇ　

ｒａｈｏｆｄａｔａｂａｓｅ　　ｇｐ

３　结　语

笔者对本系统做了初步的测试，整体上达到了预期的性能，包括温湿度传感器测量、无线发送与接收、计算机管理软件等，都能稳定可靠地工作，实现了该系统的预期要求。针对当前大部分工厂设备欠缺本研究以物联网工程思想为基础，通过应用传感器测量，实现了工厂设备有效的自动监测手段这一现状，

工况参数监测的自动化。所设计的这个系统其架构简洁、功能完善，它所涉及的核心技术可推广应用到相关行业，其市场前景值得预期。参考文献：

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