基于物联网的智能楼宇变形沉降监测系统

二、需求分析

2.1 功能要求

本系统主要包括信息采集节点、嵌入式网关、上位机控制程序等三大部分组成。

信息采集节点包括位移传感器或光栅尺、加速度传感器、超声波测距传感器或者激光测距仪等传感器件来采集楼宇的变形沉降信息，通过CC2530无线传输模块将这些信息转发到嵌入式网关，视功能需要也可以添加GPS模块，结合各种传感器实现楼宇变形沉降的精准监测。每个楼宇可设置多个基准点，每个基准点配置一个信息采集模块，多方位采集楼宇群各处得变形沉降信息。信息采集节点可以采用电池供电，系统的低功耗特性满足工作时间也可以长达半年，视后期完善程度可以采用太阳能电池板供电，可以充分体现环保环保意识，当然前期调试可以采用220V电源降压供电模式。

嵌入式网关主控制板采用贵公司提供的EVK1100开发平台，嵌入式网关汇总各信息采集节点上报的数据信息，然后经过以太网口上报到上位机，视功能需要也可以添加GPRS远程无线传输模块。嵌入式网关主控制板具备各种外设接口，可实现数据的即时显示和用户手动控制，并可扩展外接各种需要的功能模块。嵌入式网关模块可采用电池供电，或者太阳能电池板供电，或者220V常用电源降压供电。

上位机控制程序配备后台数据库，存储一定时间内的各楼宇的变形沉降信息，经程序分析处理后绘制成人性化的曲线展现给用户，当然用户也可发送命令随时查看楼宇某时间的变形沉降情况。上位机控制程序可通过计算机的串口对直连的嵌入式网关模块进行控制，也可以通过Internet网络TCP的网络协议对远程嵌入式网关进行控制。

除以上主要功能外，信息采集节点和嵌入式网关模块，均采用优化的电路设计和先进的控制策略设计，均配置有电源稳压电路、电流电压保护电路、光耦隔离、信号放大等模块，以保证系统的整体可靠性和稳定性。考虑到环保低功耗，各模块初始配置为每隔间断时间上报各自的数据信息，其他时间工作在睡眠模式以降低系统功耗，需要传输数据时唤醒各自的CPU进入工作模式。各功能模块可方便组合实现低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自适应、可扩展的整个基于物联网的智能楼宇变形沉降监测系统，系统整体架构如图1，系统网络拓扑结构如图2所示。

图1 系统整体架构图

图2系统网络拓扑结构图

2.2 性能要求

系统整体性能要求实现低功耗、低成本、高精度、高可靠性、自适应、可扩展等基本要求，方便以后进一步完善开发，并凭借各种优越特性以利于实际的市场推广应用。

三、方案设计

3.1 系统功能实现原理

嵌入式网关控制模块硬件结构如图3，信息采集节点模块硬件结构如图4所示。

图3 嵌入式网关控制节点硬件结构图

图4 信息采集节点模块硬件结构图

3.2 硬件平台选用及资源配置

硬件平台选用组委会提供的EVK1100开发板，EVK1100开发板是一个基于AVR32 AT32UC3A单片机控制器的评估套件和开发系统。UC3A系列基于爱特梅尔的AVR 32 UC内核，配有512KB的闪存、一个内置10/100以太网媒体接入控制器(MAC)、一个具有OTG(on-the-go)功能的全速(12Mbps) USB 2.0接口，以及一个SRAM/SDRAM外部总线接口。是Atmel宣布推出的业界最低功耗的32位闪存微控制器系列。

主控制器芯片AT32UC3A0512能够以66MHz的速率提供80 Dhrystone MIPS(DMIPS)的性能，而在3.3伏电压下的电流仅为40毫安。此外，其功耗低至1.65mW/DMIPS，只是具备相同功能的其它架构的1/4，表现远远优于对手。这款新的微控制器专为联网和以个人电脑为中心的嵌入式应用产品而开发，尤其适合于便携式设备。

AVR32 UC内核采用了三级管线型Harvard架构，该架构主要为优化片上闪存的指令存取而设计。此外，它也是业内首个让单周期读写SRAM绕过系统总线而直接与CPU介接的内核，从而实现更快的执行速度和周期决定过程，以及更低的功耗。AVR32 UC内核与其前身AVR32 AP共享相同的指令集架构(ISA)，其中有220多条无方式指令 (modeless instruction) 可作为16位压缩指令和32位扩展指令使用。该ISA架构拥有独立位(atomic bit)的处理功能，可控制片上外围设备和通用输入输出(IO) ，以及定点DSP计算，如单循环小数饱和乘法及累积算法。另外，该内核还含有一个事件处理系统，可以支持优先中断、不可屏蔽中断及内部异常等事件，其中断反应时间最长为16个时钟周期。

AVR32 UC3A系列集成了许多与爱特梅尔 ARM 微控制器相同的外围设备，包括外围DMA控制器、多层高速总线架构、10位模数转换器 (ADC)、2个串行外围接口(SPI)、同步串行接口 (SSC)、双线接口 (I2C兼容)、4个通用异步收发器 (UART)、3个通用计时器、7个脉宽调制器以及一整套监控功能。

10/100Mbps IEEE 802.3 标准以太网 (MAC) 能让开发人员设计出可以通过互联网协议堆进行通信的联网嵌入式系统。USB 2.0全速 (12Mbps) 接口提供了利用各种 USB 级别接口 (例如针对串行数据通信的人机接口设备；或针对更大规模数据传输的大容量存储器) 与现今的 PC 架构通信的方法。由于UC3A USB外设的OTG功能提供对USB闪存盘、指针设备或打印机等标准USB设备的支持，因此让以PC为中心的计算环境得以进一步集成。

外部总线接口(EBI) 将可寻址(addressable)的物理存储器扩大到16MB。其非复用的16位数据总线能够与高密度的外部SRAM、SDRAM、ROM、闪存器件以及如LCD或FPGA等存储映像器件连接。

UC3A系列微控制器拥有一个6层高速总线矩阵，该结构使总线主外设能够以66MHz每秒264MB的最高速度同时访问任何总线从设备。这些总线主控设备（master）包括AVR32 UC核数据和指令接口、15信道外围DMA控制器，以及几种高速外围设备，如以太网MAC和USB。总线从设备(slave)则为片上SRAM和闪存、USB、2个外围总线桥，以及外部总线接口。