基于单片机的远程温度监测和控制毕业设计

基于单片机的远程温度监测和控制 REMOTED DISTANCE TEMPERATURE MONITOR AND RELAY CONTROL BASED ON MICROCONTROLLOR毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它摘 要物联网是指物体的信息通过智能感应装置，经过网络传输，实现物与物、人与物之间的自动化信息交互、处理的一种智能网络。主要将无线射频识别和无线网传感网络结合使用，为用户提供生产生活的监控、指挥调度、远程数据采集和测量、远程诊断等方面的服务。本设计主要通过温度传感器采集环境温度数据，应用单片机对这些数据进行处理和显示，同时利用以太网模块上传这些数据至远端物联网服务器。服务器对用户身份验证后进行数据存储和处理，并绘制出温度变化曲线。与此同时，服务器端对继电器状态进行实时检测，通过互联网把继电器状态改变信息发回单片机，从而使单片机对继电器执行相应的控制。除此之外，本系统可以远程进行温度过高和温度过低邮件提示设置。利用互联网优势，拓展了网络授时功能，实现了实时远程温度监测和继电器远程控制。关键词：物联网； 以太网； 单片机； 传感器ABSTRACTInternet of Things refers to an intelligent network, which included the information of object coming from the intelligent sensing device, transmitted through the network, automated information exchange between things and things, and between persons and things. The main structure is combining RFID and Wireless Sensor Networks, be able to provide users with monitoring the production of life, dispatching, remote data acquisition and measurement, remote diagnostics and other services.The design is mainly used to collect temperature data through the temperature sensor, apply microcontroller to process these data and display on the Nokia5110 display, and upload these data to a remote server networking via the Ethernet module. After user being authenticated by the server, then server stores and processes these data, as well as draw out the temperature-trend curve on the web. At the same time, the server-side detects the relay control information real-timely, and transferring the relay information back to the microcontroller through the Internet if switch changed, make sure the microcontroller will base on the information to control the relay. In addition, the system can email to the user if the temperature is too high or too low, the alarm value can be changed remotely by logging web. To take full advantage of Internet, expanding the function of network time and date display. The final function mainly contains real-time and remote-distance temperature monitor and relay-control.Key Words: Internet of Things, Ethernet, MCU, Sensor目 录第一章绪 论1第一节课题研究背景1第二节物联网应用领域2第二章总体方案设计4第一节控制系统介绍4第二节系统硬件介绍6 第三节 物联网常用组网技术.10第四节 国内物联网平台.12第三章功能介绍16第一节基本功能16第二节拓展功能17第三节参数设置界面18第四节温度在不同网络状态下的显示方式21第四章程序设计23第一节流程图设计23第二节以太网模块程序设计24第三节温度传感器和继电器控制程序26第四节网络授时程序设计28结 束 语29参考文献30致 谢31天津科技大学2014届本科生毕业设计文献翻译 附录31第一章 绪 论第一节 课题研究背景随着新世纪科学技术的进步，人民收入的大幅增加，生活水平的改善，人们更加注重丰富多彩的精神文化生活，其表现形式更加的丰富、多样化，其中以方便人民生活为前提，以智能化为发展方向的物联网，正对我们的生活方方面面产生巨大的影响。物联网概念从1999年提出到2010年的崛起，历经10年，特别是近两年的发展更为迅速，不在停留在单纯的概念、设想阶段，而是升级为国家重点战略，政府支持的对象。以下列出物联网发展历程中的几个关键点。2005年，国际电信联盟发布了ITU互联网报告2005：物联网。2009年初，美国 IBM公司，提出“智慧地球”，认为：信息产业的下一阶段的任务就是把新一代信息应用到生活的方方面面，具体就是把传感器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，从而组成传感网。而后通过超级计算机和“云计算”对传感数据进行处理。最终形成“互联网+物联网=智慧的地球”的状态，以应对金融危机、能源危机和环境恶化。2009年8月，日本提出“智慧泛在”构想，将传感网列为国家重要战略。2010年3月，国务院中立温家宝在政府工作报告中，将“加快物联网的研发应用”明确归纳重点产业振新，表明物联网一经被提升为国家战略。任何新兴科学技术都会为人类社会的经济发展带来机遇，信息技术的革命和产业的发展，将社会经济的发展引入了一片广阔的天地。信息产业发展到今天，互联网的广泛使用已然人们不再有新鲜感。一批新型产业已在酝酿之中。 物联网是以计算机因特网为基础，利用传感器RFID、条形码等技术。所谓一“网”联天下，万物为一“家”，以这个网络为中心，所有物品可以进行“自由交流”，而无需人的干涉，将人从管理和使用物品的繁琐环节中解脱出来。攻克感知层、网络层、应用层等方面涉及到的关键技术。可以想象，当物联网出现了以后，人的视野会延伸到世界各个角落。物联网的应用领域物联网在未来的各行各业的应用将势不可挡，遍及生活的方方面面，大到航空航天，小到商品微型电子标签。以下列举几个物联网的未来应用领域：1. 精细农牧业把物联网应用到农业生产，农民将可以通过手机来检测农作物的病变情况，借助遍布农场的无线传感网来搜集信息，并确定疾病的风险等级。在满足农户需求的情况下，可以对环境温度，土壤湿度，农药残留量等方面进行监测，以及实时监测光照、土壤温度、二氧化碳浓度、叶面湿度、露点温度等环境参数，经由无线信号收发模块传输数据，实现对农场基本参数温湿度的采集和检测，在满足触发阈值情况下，对相应设备进行自动化操作。由于人们对生活品质的要求逐渐提高，绿色农业将为蔬菜种植的绿色化提供保障，可以利用结合物联网的生物技术对农作物的农药残留量进行监测，一方面减少了因过量使用农药对我们身体健康造成的伤害；另一方面也减少了农民的农作物管理成本支出。在粮库内安装各种温度、湿度传感器，通过以太网将粮库内环境变化参数通过手机实时传输给粮库管理人员，从而方便粮库管理人员对粮库内温湿度进行科学地调整，更有利于粮食的保存。在牛、羊等畜牧体内植入传感芯片，放牧时可以对其进行跟踪，从而使牧场管理更加高效和智能化。同时物联网也在金融与服务业、医疗服务、花卉栽培、水系监测、食品溯源、环境与安全检测、国防军事等方面得到足够的重视和应用。当然物联网的应用不局限于上述领域，用一句形象的化来说就是“网络无所不达，应用无所不能”。有一点值得我们确定的是，物联网的出现和推广必将极大地改变我们的生活。2智能交通利用物联网技术，通过传感器实时感知电动汽车的运行状态、电池使用状态、充电设施状态以及当前网内能源供给状态并进行综合分析，实现整车一体化的实时监测和遇到险情时的紧急控制。将物联网应用于交通领域，可以使交通智能化。例如司机可以通过车载信息智能终端享全方位的综合服务，包括动态导航服务、位置服务、车辆保障服务、安全驾驶服务、娱乐服务、咨询服务等。通过这样的信息采集、高速收费智能化，节省出行时间。同时还可以对驾驶员的酒精度进行监测，如果检测值过高，将不会启动汽车，不但保障了车主的安全，也保证了行人的安全， 3、智能物流物联网极大地促进了物流的智能化发展。例如发展较快的智能快递，实质基于物联网的广泛应用基础上，应用先进的信息采集，信息处理，信息流通和信息管理技术通过在需要寄件的物品上嵌入电子标签、二维码等，通过无线网络的方式将相关信息及时发送到后台信息处理系统，疙瘩信息系统可以形成一个庞大的网络。实现快递业务跟踪，监控并能智能化管理的目的。4、智慧城市智慧城市是未来城市的大发展方向，借助现在兴起的物联网行业，将对智慧城市的实现提供可靠的保障和坚实的基础。其中智慧城市可以划分为智慧公园，例如城市公园可利用空间的监控，公园的设施使用情况的监测，如果设施设备出现故障或者遭到破坏，将通过相关传感器检测并监视，把情况实时反馈给公园管理人员，从而可以为无人化公园管理提供可靠的保障；同时现代建筑物，可以利用震动传感器来进行监控，同时也能监控建筑物的材料的状况，从而可以避免现在市场出现的危房倒塌，危机人员生命等惨状，同理可以应用到桥梁和历史博物馆的监测上；智能手机监测，智能手机是智慧城市的一个很好的监控终端，例如应用到道路交通方面，可以实时进行道路交通车辆流量的监控以及意外的交通事故等信息，智能交通管理系统将实时通过短信等形式发回给驾驶员，从而驾驶员可以根据交通信息确定最佳的行车路线，进而大大提升了道路的应用率和缓解了交通压力。除此之外，城市的灯光控制也可以借助光传感器来实现，传感器进行照度的监测来判断天气情况，从而进行道路灯光的智能化管理和自适应性控制，很大程度上提高了路灯的利用率，不仅节省了大量的电能消耗，也使城市路灯管理更加智能化。在垃圾管理方面的应用，可以应用到垃圾的智能分类以及优化垃圾收集路线，例如在垃圾回收清理之前可以提前提醒住户，把垃圾送到门外的垃圾箱里，从而更高效、适用地进行垃圾的搜集，不仅方面居民的生活，同时提升了城市的形象。 第二章 总体方案设计第一节 控制系统介绍一、 控制系统方框图：双向箭头表示交互式数据传输：DS18B20温度测试Nokia5110 显示屏微控制器MCUENC28J60以太网模物联网平台手机控制网页控制 图2-1 工作流程图二、 系统架构本系统构架如图2-2，自下而上分别是Mega2560单片机最小系统，enc28j60以太网模块，2路带光耦的电磁继电器模块（只用到其一），以及最顶层的诺基亚5110显示屏。除此之外，温度传感器（达拉斯ds18b20）被安置在另外一块迷你面包板上，通过杜邦线连接到单片机数字输入引脚2，各模块之间都通过杜邦线连接至核心控制板。在此说明一下，模块与模块之间都用铜柱固定，稳定性得到大幅提高，图中的2-2的白色柱属于塑料柱子，主要功能起到支撑和绝缘的作用，以免引起短路烧坏单片机系统。 图2-2 整体结构布置图三、 设计思路本系统采用国内外流行的开源单片机Mega2560作为最小控制系统，结合了诺基亚5110显示屏和微星公司生产的简易廉价以太网芯片ENC28J60，实现了基于互联网的远程温度监测和远程继电器开关状态控制。系统本身基于yeelink（亿联）物联网平台，同时连接到全球网络授时中心，实现了当前环境温度和电磁继电器开关状态以及网络日期和时间的显示，并通过以太网模块把温度数据上传至物联网服务器，数据经存储后，经过物联网服务器处理，然后以曲线的形式实时显示在网页上或者手机客户端；继电器控制主要通过以太网模块库函数里的http post命令实现了对服务器数据的发送，同时可以方便获得服务器返回数据，如果服务器检测到物联网网页或者手机客户端继电器开关状态发生改变，服务器数据将立刻得到更新，并通过http post命令把数据经过互联网传输至单片机终端，单片机接收到数据以后，根据数据信息控制继电器执行相应的动作，进而完成对继电器的控制。为了防止温度过高或者过低对系统应用场所造成的经济损失，系统特别设置了温度过高和过低报警，并借助yeelink物联网平台的强大功能，实现了温度过高和过低邮件提醒功能，使农业生产管理更加方便监控和高效，也更智能化。报警考虑到以下方面：1、温度的超限报警，由于设备环境温湿度要求能够保持在一定的范围内，当监测到实际温湿度超过设定范围，系统将发送电子邮件至用户邮箱，这样方便工作人员检查和维护。2、传感器（温度传感器）和网络连接故障提示。这些模块都是电子设备，且长期暴露在相对潮湿的环境之中，比较容易出现电子元器件氧化、网络接口处氧化生锈或者接触不良等问题，如果设备出现这种故障便会影响显示结果，当这些故障出现时，显示屏界面显示将发生改变从而提醒工作人员进行排查和检修。温度传感器是将现场采集到的数据经过微控制器分析处理、输出显示且同步上传至服务器。网页端的历史温度曲线指示了温度变化的过程，供工作人员整理比较。第二节 系统使用芯片模块说明本系统采用的显示屏为诺基亚5110显示屏，分别使用了Atmel芯片厂商的Mega2560作为核心控制芯片和enc28j60作为以太网芯片，同时还使用了达拉斯公司的精密温度传感器ds18b20，配合两路带光耦合的继电器模块，实现毕业设计所需功能。在此对显示屏和微控制芯片、网络模块以及温度传感器、继电器模块进行相关介绍。一、显示屏诺基亚5110显示屏功能特点：1、硬件采用CMOS工艺，实现低功耗。2、84x48 的点阵LCD，可以显示4 行汉字。相比LCD12864，高性能。3、引脚少。相比LCD1602，LCD12864对单片机资源占用少4、编程简单。初始化程序不繁琐，容易学习和应用5、采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200A左右。二、单片机微控制器的主要部分是一个微型计算机集成在一个单片微型计算机芯片。单片机诞生于70年代中期，现在，成本较低，功能越来越强大，这使得在生活中的许多领域有着无处不在的应用。如电机控制，条形码阅读器/扫描器，电话，暖通空调，楼宇安全和访问控制，工业控制及自动化和白色家电等领域。本设计选择 Mega2560作为系统所用微控制器，Mega2560是采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入输出，适合需要大量IO接口的设计。同时具有54路数字输入/输出口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源 插座，一个ICSP header和一个复位按钮。Arduino Mega2560也能兼容为Arduino UNO设计的扩展板，其主要特点如下：1、可靠性高，具有很强的抗干扰能力。2、自带DA/AD转换，功能完善，适用性强。3、开源单片机，网络学习资源丰富，易学易用。 4、引脚丰富、相比arduino uno功能多，flash空间大，支持大容量程序烧写，运行速度快，拓展空间大。5、函数采用库封装模式，编程简单，降低入门门槛。6、宽电压范围输入，输入电压5v12v，最小系统板载电源稳压芯片，输出电压可选5v和3.3v，极大方便广大用户使用。7、通信接口丰富，自带TWI（SDA和SCL）接口；支持I2C通信；支持SPI通信接口。三、温度传感器（一）温度传感器通信总线 在大多数传统的温度检测传感器中，热敏电阻，可以满足40-90测量范围要求，但介于热敏电阻的可靠性，主要用于测量温度精度要求低于1的误差要求。除此之外，需要专门设计一个特殊的模数转换接口电路，以便使用微控制器进行数字信号的转换。常用的数据通信主要是I2C总线， SPI总线等，PC和外围设备之间目前主要采用串行总线。I2C总线分为一个时钟线，数据线，SPI总线用3线同步串行通信。单总线（one-wire总线） ，采用单根信号线，可以传输数据，并且数据传输是双向的， CPU端口线可以有很多的设备与单一总线进行通信，且单片机引脚占用少。因此，这种单总线技术的使用使外围电路变得简单，减少了硬件开销，成本低，软件设计简单，易于总线扩展和维护。 （二）数字温度传感器ds18b20优点 DS18B20以封装体积小，适用电压宽，经济，从而适用于小系统中，其优点如下：（1） 使用单个微处理器总线接口实现微处理器与DS18B20的双向通信连接。单总线设计节省单片机资源，抗外界扰动能力强，适合野外恶劣环境的温度测量；易用性，使用户能够轻松构建无线传感器网络测量系统。（2） 温度测量范围宽。 DS18B20测温范围为-55+125 ;在-10+85，精度误差控制在0.5的范围内。（3） 可以两个以上DS18B20同时，只需占用一个端口就可实现多点温度测量。减少硬件开销。（4） 宽电压供电。可以正常工作在3.3v5v的系统中，从而使其得到广泛的应用。（5） 测量精度可以编程配置。DS18B20测温分辨率可设定为912位 。（6） 掉电保护。DS18B20包含一个内部的EEPROM ，在系统断电时，它仍然可以保存报警设定点的温度和分辨率。四、 网络模块（一）以太网 通常W5100和ENC28J60都是被常常使用到的芯片，W5100技术较enc28j60成熟，对系统资源要求不高。在传统单片机的以太网接入中被广泛使用，此外在开源硬件的以太网扩展中同样发挥的重要作用。（二）Enc28j60以太网控制器特性 Enc28j60工作参数 使用的7个中断源，分布在两个引脚中。 25MHz时钟晶振。数据处理速度快。 工作电压范围从3.14v3.45v；TTL电平输入。 温度范围：工业级的芯片-40摄氏度到+85摄氏度，商业级为0度到+70度，仅限SSOP封装。 引脚最大驱动电流为4毫安到12毫安不等；引脚可接受输入电压为5v。 W5100属于Arduino官方出品，性能稳定，单片机资源占用少，节省了MCU资源，但是硬件模块整体体积大，且价格比enc28j60贵很多。Enc28j60属于第三方产品，采用微星公司的以太网芯片，该芯片没有成熟的TCP/IP协议栈，对单片机的资源占用大，且初始化时，网络状态解析时间过长，两者发热量和功耗相当。出于本系统的设计考虑，要求整体尺寸尽量小，从而使用enc28j60以太网模块完全可以满足设计要求，加之enc28j60价格便宜，所以最终选定enc28j60作为我们的以太网接入使用芯片。五、 继电器继电器具有控制系统输入电路和被控系统输出电路，继电器基本原理和目的是使用小电流控制较大电流的电路。它起到了自动调整电路、电路安全切换的作用。 图2-3继电器内部解剖（一） 继电器技术参数直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过三用电表测量。释放电流或电压是指继电器产生释放动作的最大电流或最大电压。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时。触点切换电压和电流 是指继电器接点允许承载的电压和电流。它决定了继电器能控制的电压和电流大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。继电器测试 测触点电阻，用万用电表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0；而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区别出哪个是常闭触点。 测量释放电压和释放电流 也是像上述那样连接测试，当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。当控制电压地狱十分之一吸合电压时，则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工作不可靠。本设计考虑到电磁继电器在切换的瞬间会对单片机外围电路产生电磁干扰，容易造成误触发，同时防止干扰通过继电器的电路进入系统，所以在继电器驱动电路之间设置一个光耦合器，可以有效消除继电器切换时产生的脉冲冲击和避免把外界干扰带入系统，光耦合器在此的应用起到了良好的抗干扰的隔离作用。图2-4 带光耦合的2路继电器电路 模块参数1.继电器选用优质松乐继电器，单刀双掷。一个公共端、一个常开端、一个常闭端2.光耦隔离，抗干扰性好3.低电平吸合，高电平释放。六、面包板（一）面包板简介面包板，因其板面上有许多的小插孔而得名。各种电子元器件可根据需要随意地插入或者拔出，免去焊接，同时使用过的电子元器件可以随时拔插，任意组装再使用，所以修改时较为方便，主要用于构造电子样品，作为前期教学和训练使用。与印刷电路板不同的是，它不采取软钎焊， 无焊面包板由塑料与众多的锡磷青铜镀或根据穿孔镍银合金弹簧夹穿孔块，该片段通常被称为连接点或接触点。连接点的数量通常在面包板的规范中给出。是电子设计中所常用的一种基底。无焊面包板的优点是体积小，易携带，但缺点是比较简陋，电源连接不方便，而且面积小。不宜进行大规模电路实验。若要用其进行大规模的电路实验，则要用螺钉将多个面包板固定在大木板上，再用导线相连接。（二）面包板内部结构面包板内部结构如下图所示，一般情况规定将每5个小孔板用一条金属条连接。板子中央凹槽是针对需要集成电路、芯片试验而设计的。板子两侧有两排竖着的5个一组插孔。这两组插孔是用于给板子上的电子元器件提供电源，母板使用带铜箔导电层的玻璃纤维板，作用是把无焊面包板固定，同时起到绝缘的作用，并且引出电源接线柱。 图2-13微型面包板 图2-14面包板内部结构剖析第三节 物联网常用组网技术一、现场总线技术 （一）现场总线概述现场总线技术是20实际80年代中期在国际上发展起来的一种暂新的工业控制技术。现场总线控制系统（FCS）的出现引起了传统可编程逻辑控制器和分布式控制系统基本结构的革命性变化。现场总线是用于现场电器、现场仪表及现场设备与控制室主机系统之间的一种开放的、全数字化、双向、多站的通信系统。现场总线标准用于规定某个控制系统中一定数量的现场设备之间如何进行交换数据。（二）现场总线的特点1) 布线简单。现场总线的最大化革命是不嫌方式的革命，最小化的不嫌方式和最大化的网络拓扑使得系统的界限成本和维护成本大大降低。2) 开放性。主要只两个方面：一方面能与不同的控制系统相连接；另一方面就是通信规约的开放，也就是开发的开放性。3) 可靠性。一般总线都具有一定的抗干扰性，同时当系统发生故障时，具备一定的诊断能力，从而可以快速进行检修和维护。一、 WiFi技术（一）WiFi概述WiFi的覆盖广，接入便捷，有效距离也很长，一般在100米左右。在信号较弱或者有干扰的情况下，带宽可以进行自动调整，最然降低上网速度，但是可以有效地保证了网络的稳定性和可靠性。其主要有点为：速度快；可靠性高；开放领域通信距离可达305米，封闭区域内通信距离为76米到122米；方便与现有的有线以太网络整合，组网成本更低。（二）Wifi优点1）无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，一般有效传输距离在10米之内，而WiFi可以达100米左右。2）传输速度快。但是数据安全性较蓝牙差一些。三、蓝牙技术（一）蓝牙概述蓝牙可以在短距离通信可以取代目前的多种电缆方案，通过统一的短距离无线链路在各种数字设备之间实现方便快捷、灵活安全、低成本、小功耗的语音和数据通信。(二)蓝牙技术特性1）能传送语音和数据。2）全球范围内适用，使用频段无需申请。3）低成本、低功耗和低辐射。4）外界对其干扰影响不大，安全系数较wifi高。四、GPS技术（一）GPS概述 GPS是英文Global Position System（全球定位系统的简称）。GPS组成由GPS空间卫星部分、GPS地面监控部分和用户设备部分三大部分组成。空间卫星部分由24颗卫星组成，包括21颗工作卫星和3颗备用卫星，均匀分布在6个轨道上。卫星的这种分布保证了地球上任何地点、任何时候都能见到4颗以上卫星。地面监控部分：负责监控全球定位系统的工作，包括一个主控站、三个注入站、五个监控站。用户设备部分：主要有各种GPS接收机组成，起作用就是接收、跟踪、变换和测量GPS信号；按用途可分为导航型接收机、测地型、授时型接收机。（二）GPS特点1）定位精度高。GPS相对定位精度在50千米以内可达10-6。2）观测时间短。随着GPS系统的不断完善及软件的不断更新，对于静止不动的物体定位且在20千米之内只要15分钟，然后可以随时定位，每站观测只需几秒钟。3）应用广泛。主要用途包括：陆地应用、车辆导航、地球物理资源勘探、地震前期监测等；海洋应用，远洋船最佳航程航线测定，船只实时调度和导航、海洋救援等；航空领域方面，应用在飞机导航、导弹制导等。此外全球定位系统还具有高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便等特点。第四节 国内物联网平台一、yeelink平台Yeelink的每一个门户对应一个“网关”设备，而创建“网关”设备也是在亿联网上开启物联网应用的第一步，“网关”是一个前端能够与测量设备DTU（仪器仪表、各类传感器等）适配通讯，采集测量数据；后端具备网络功能，可以将测量数据实时转发到乐联网服务器上进行存储。可以转发的数据不仅包括测量数据，还可以包括视频流数据和控制指令信息，还可通过网络来对设备进行反向控制。所谓的正反向控制，即设备具备半双工通信Half-duplex Communication的功能，这种通信方式可以实现双向的通信，但不能在两个方向上同时进行，必须轮流交替地进行。也就是说，通信信道的每一段都可以是发送端，也可以是接收端。但同一时刻里，信息只能有一个传输方向。如日常生活中的例子有步话机通信,对讲机等。半双工传输的协议是称为线路规程的过程的一部分，它是OSI模型的第二层，数据链路层所包含的一项。简而言之，就是双向通信但不同时刻交替进行。图2-5二、乐联网平台乐联网，为您提供了一个迅速实现物联网应用的平台。无需繁琐的编程和开发，您就可以将您的测量设备或传感器连接到乐联网物联网应用平台上，并在该平台上存储、查询和分析您的测量数据。另外，您还可以在这个平台上公开您的测量设备，与别人做技术交流，可以说乐为物联开放平台还是一个技术交流和广告展示的平台。乐联网可以提供的功能如下：设备集中管理支持通用的工业协议，可以将您的各类设备集中起来进行管理和维护，统一查看和监管，提高维护效率，降低维护成本。图2-6数据在线显示应用系统采用B/S架构，只要联网通过浏览网页的形式就可以进行实时进行查看，数据自动上报、自动存储，方便快捷。 图2-7告警知会提醒当测量设备出现异常状况或者当测量值不在正常范围内，系统可以以短信、邮件等方式及时知会事先指定的相关人员，让维护人员做到第一时间处理，保证生产安全。图2-8数据统计分析应用系统提供基本的数据分析工具，对存储在云端服务器的历史数据进行统计、分析和对比，并以曲线图、饼图、柱状图、报表等多样化的形式展现，让您了解数据的趋势和规律。图2-9微信与手机App数据查询不但可以通过电脑浏览网页来查看，还可以支持便捷的手机微信查询和手机App应用软件查询，让您随时随地的掌握您的设备状态和测量数据。图2-10数据报警分析您可以设置您测量数据的的正常值范围，并可以在系统里输入监测人的手机号码。当您的测量数据不为正常值，系统会定时的给该手机号码发送短信提醒数值超限，请求监测人及时处理。乐联网还提供数据报警分析，让您可以清晰的看到数据超出正常值范围的次数和所占的比例。定制专家系统可以根据您的实际需求和行业经验定制不同的专家系统，基于海量数据和行业预设的数据处理模型进行分析和比较，从而智能的对生产给出建议和辅助决策。图2-11工业仪表无缝接入网络接入模块和乐联数据上传工具都支持Modbus协议。只要是支持Modbus协议的仪器仪表，都可以将测量数据发布到乐联网上，这为想向物联网企业转型或者希望有自己的物联网演示平台传的统测量仪器、仪表厂商提供了便利，可以让他们迅速实现测量数据上网和快速物联网平台展示。图2-12乐联网即将推出的功能：1 报警推送邮件2 定时推送邮件细化推送时间3 定是推送邮件细化推送内容4 增加触发条件，可以触发微博，邮件，短信，执行单元5 增加智能电表网关类型第三章 功能介绍第一节 基本功能介绍一、 功能介绍1本系统实现的功能分为基本功能和拓展功能。拓展功能将于第二节作详细介绍。基本功能如下：1) 实现了基于互联网的远程温度监测2) 实现了基于以太网的远程电磁继电器控制3) 实现了基于以太网的温度过高和温度过低邮件提示拓展功能如下：1) 实现了网络自动授时，可以较准确显示时间和日期 二、 显示界面说明如图3-1显示画面，时间和日期的显示，既不是通过单片机模拟产生，也没有使用到时钟芯片，而是使用到了互联网授时，显示时间是和互联网同步的；最上面的大字体数字表示的是网络时间，是单片机编程以后经过以太网模块连接到全球网络授时中心，授时中心授权后通过互联网经以太网模块发回单片机，通过单片机解析并处理后再通过诺基亚5110显示屏显示出来。除此之外，显示屏最下方的日期显示，也是经由授时中心授时发回的；温度显示一栏便是系统所处的实时环境温度，其使用的是ds18b20精确温度传感器，其误差控制在正负0.5度，该款温度传感器属于高精度温度传感器；继电器状态标识说明，本标识借用了数字电路的二元关系。“1”表示电磁继电器常开点闭合，常闭点断开；“0”表示电磁继电器常开点断开，常闭点闭合。图3- 1 显示画面第二节 拓展功能介绍出于对系统硬件设计精简需要，秉承节约资源的理念，同时有效利用系统网络资源，特地设置网络自动授时（Network Time Protocol）功能，简称NTP，不仅节约了时钟芯片的硬件开支，也为后期更多智能化功能拓展提供了可能。所以在这个网络无所不达的世界，无芯片时钟的应用将对于资源节约起到促进的作用，不但可以减少污染，还可以减少能源消耗。一、NTP网络授时简介NTP同时同步指的是通过网络时间协议与时间源进行时间校对。其前提条件是，时间源输出必须通过网络接口，数据显示，数据输出符合标准NTP要求。局域网内所有的PC、服务器和其他设备通过网络与时间服务器保持同步，在标准授时的同时，可以根据实际的情况判断出延时，从而可以进行相应的时间补偿，使时间显示更准确。从而使局域网设备时间保持统一精准。二、网络同步时钟特点NTP是设计为同步在网络上计算机的时钟的协议。它是通过由IETF发布的RFC形式化,精度高、稳定性好、功能强、无积累误差、不受地域气候等环境条件限制、性价比高、操作简单、全自动智能化运行，免操作维护，适合无人值守。可以为计算机网络系统、电力自动化系统、水利自动化系统、电子商务系统、网上B2B系统以及数据库的保存维护等系统提供精密的标准时间信号和时间戳服务，已经被成功应用在政府、金融、通信、交通、广电、安防、电力、水利、国防、医疗、教育、IT等领域。第三节 参数设置画面在本系统虽然具有时间和日期显示，但是都不用进行手动调整和设置，时间和日期是经过国际网络授时中心授时，依靠互联网。不支持手动设置，可以满足给时间精度要求不太高的系统使用，系统中仅有两个参数支持手动设置，即电磁继电器的开关状态设置和高温和低温邮件提醒参数设置。 一、 温度报警设置画面（一） 温度过高过低报警界面设置温度过高或者过低邮件提示功能不是在单片机上设置使用，这样反而受到距离的限制而不方便操作，也不灵活，而是借助物联网yeelink平台，在用户设备管理中心进行相关设置。具体操作步骤如下：1) 登陆在物联网平台上注册的账号，进入设备管理中心。2) 找到对应的传感器，在传感器的右下角点击增加触发，界面如下。图3-2 增加触发 点击增加触发符号以后，将出现以下界面图3-3报警设置界面在第一个框里选择触发条件后，在后面一个框里填上触发阈值，然后选择触发动作，触发动作现在只可以选择邮件触发（至于手机短信息提示和微信信息提示等功能将在物联网系统进行升级以后推出），同时填写发送邮件的提醒内容。最后点击保存为一个新的出发动作绿色条即可增加为系统一个提示功能。继电器触发设置当系统成功连接互联网以后，就可以通过手机客户端或者网页上的开关按钮来实现对继电器远程实时控制，开关按钮变灰表示现在继电器的常开点断开，常闭点闭合；开关按钮变成绿色，表示现在继电器的常开点闭合，常闭点断开；具体操作很简单，点击继电器控制按钮就可以对继电器进行状态的切换改变。图3-4当从手机或者网页端点击开关后，开关变灰对应继电器常闭点闭合，常开点断开。图3-5开关变绿，常闭点断开，常开点闭合。物联网yeelink服务器在不断对继电器状态信息进行监测，如果开关状态值发生改变，数据将立即得到更新，并下传单片机，单片机收到信息后采取相应的控制。（二） 温度变化曲线显示当温度传感器采集到温度数据时，单片机一方面进行数据处理和显示外，还将温度数据分拆、打包后上传至物联网服务器，经系统自动处理后，将以实时变化曲线的方式呈现出来，从变化曲线上可以清楚点看出温度的变化趋势，下图将分别表示网页的温度曲线和手机客户端温度曲线。图3-6网页端温度变化曲线图3-7手机客户端温度变化曲线（三） 邮件提醒 当系统周围环境温度大于或等于设定的报警阈值以后，物联网平台将自动触发报警开关，给设备用户发送提醒邮件，具体提示消息和触发阈值用户可以自行设定，本设计经测试后，具体邮件提示信息如下：图3-8 第四节 温度在不同网络状态下的显示方式一、 功能介绍考虑到充分利用显示屏的有限显示空间，编程设置了不同网络条件下的显示方式。目的有三，其一是充分利用显示界面；其二是在系统没有连接上互联网是起到提示作用；其三是当没有网络时，本系统仍然可以作为简单的温度计使用。二、 有网络时显示画面在系统连接到互联网以后，将显示如下界面，即正常的显示状态，自上而下分别对应大字体的时间、实时温度数据、电磁继电器状态和当前日期，触摸温度传感器，可以快速观察到显示屏温度数据的逐渐上升直至所测物体实际温度。图3-9 有网络时的系统显示界面三、 断网后的系统显示画面（联网启动后断网）当网络突然出现故障时，系统将进入网络检测阶段，此时触摸温度传感器有可能显示屏上的数据不跟随改变，稍等片刻，系统进行短暂自适应后切换到另一个显示界面，画面如图3-10，显示界面的改变提示用户网络连接失败，同时系统记录下断网的日期，以便查阅。此时可以通过检查网线接口处是否松动，致使网路断开，在检查完网线插头没有松动后，可以使用其他设备，比如手机或者电脑测试一下网络是否能正常连通使用，如果仍不能解决问题，请用户重自行启路由器或者联系网络运营商。图3-10等待网络恢复正常后，系统就会自动回归到正常显示界面。四、 没有网络时的系统显示画面（启动时没有网络）如果系统在启动时就没有连接上网络，则此时本系统将只作简单的温度测量计使用，具体显示界面如下所示：图3-11第四章 程序设计第一节 流程图设计一、 系统流程图服务器端继电器状态检测数据上传服务器联网状态检测数据显示下传单片机、继电器状态更新模块初始化开始图4-1 程序流程图一、 本设计所完成的功能本设计内部程序工作流程如图4-1所示，其中邮件提醒功能和报警没有在程序流程图中体现，但是上文已经做过详细介绍。1、基本实现功能如下：1) 实现了基于以太网的远程温度监测和显示2) 实现了基于以太网的远程电磁继电器状态控制2、拓展功能如下：1) 实现了基于互联网的网络自动授时第二节 以太网模块程序设计一、 以太网模块程序设计（一）以太网模块工作环境以太网模块工作流程，首先模块初始化，初始化完毕，检查网络环境，本系统接入互联网可以选择两种路径：1) 路由器工作在自动分配ip状态且需要设置成一个账号多个设备共同使用。2) 系统使用固定ip分配，同样路由器需要设置成一个账号多个设备共同使用。(二)以太网模块程序1) 、网络连接状态检测程序 if (!ether.begin(sizeof Ethernet:buffer, mymac, 10) Serial.println( Failed to access Ethernet controller); else Serial.println(Ethernet controller initialized); if (!ether.dhcpSetup() flag=0; Serial.println(Failed to get configuration from DHCP); else Serial.println(DHCP configuration done);flag=1; ether.packetLoop(ether.packetReceive(); if(i=0&flag=1)&(millis() (timer + REQUEST_RATE)timer = millis();Serial.println(n REQ);static char buf20;sprintf(buf,value:%d.%d,whole,fract); /获取数据串口显示if (!ether.dnsLookup(website) /域名解析 Serial.println(DNS failed); flag=0; /flag=0表示断网了 ether.printIp(Server: , ether.hisip);2) 、温度数据上传程序，系统使用了http.post命令实现单片机向网络服务器进行数据上传，并从服务器获取返回数据，从而下传单片机，实现网络时间和继电器状态的更新。ether.httpPost (urlBuf, website, apiKey, buf,my_result_cb); 4）、HTTP协议中请求方法Get和Post的区别Get：是以实体的方式得到由请求URI所指定资源的信息，如果请求URI只是一个数据产生过程，那么最终要在响应实体中返回的是处理过程的结果所指向的资源，而不是处理过程的描述。Post：用来向目的服务器发出请求，要求它接受被附在请求后的实体，并把它当作请求队列中请求URI所指定资源的附加新子项，Post被设计成用统一的方法实现下列功能：1：对现有资源的解释2：向电子公告栏、新闻组、邮件列表或类似讨论组发信息。3：提交数据块4：通过附加操作来扩展数据库从上面描述可以看出，Get是向服务器发索取数据的一种请求；而Post是向服务器提交数据的一种请求，要提交的数据位于信息头后面的实体中。一个http post是个最基本的概念，例如cgi、asp、php或者很多东西都可以承载，比如最烂的人会懂得socket监听80（或者其它）端口，然后用基本的http协议来解析收到的消息。第三节 温度传感器和继电器控制程序一、 温度数据采集程序 温度传感器工作流程，首先进行传感器初始化，配置引脚输入高低电平和对应的初始化周期。然后向温度传感器发起温度数据请求，当数据获取成功后，进行数据的格式转换，转换格式目的有二，一是温度数据在nokia5110显示屏上的显示；二是进行温度数据的上传。1) 、温度传感器初始化sensors.begin(); 2) 、温度数据获取和数据格式转换sensors.requestTemperatures(); Tc_100 = sensors.getTempCByIndex(0)*100;3) 、温度数据上传至服务器ether.httpPost (urlBuf, website, apiKey, buf,my_result_cb);二、 继电器控制程序继电器控制程序相对简单，和普通继电器控制程序不同的是我们需要使用htttp.post命令从服务器获取继电器控制信息，控制信息来自于用户对网页端或者手机客户端进行的操作，终端系统获取数据后，实现对单片机数据的更新，继而实现对继电器的控制。实现该功能的关键程序如下：1) 、系统从服务器获取返回数据ether.httpPost (urlBuf, website, apiKey, buf,my_result_cb);2) 、数据解析String reply=(const char*)Ethernet:buffer + off; switchStatus = reply.substring(reply.length()-2,reply.length()-1);Serial.print( reply ); Serial.print(millis() - timer);3) 、继电器状态标识Serial.print(Switch Status:); Serial.println(switchStatus);if(switchStatus=1) digitalWrite(2,HIGH); for(byte st = 0; st 6; st+) LcdWrite(LCD_D, Digits_Temp_Date10st); /屏幕显示1，表示继电器常开点闭合 else if(switchStatus=0) digitalWrite(2,LOW); for(byte st = 0; st 6; st+) LcdWrite(LCD_D, Digits_Temp_Date00st