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基于物聯(lián)網(wǎng)的家居室內(nèi)環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)研究

發(fā)布時(shí)間:2016-12-14 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】系統(tǒng)通過基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控,由遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)與主協(xié)調(diào)器通信接收傳感器感知數(shù)據(jù)并上傳至服務(wù)器集群的數(shù)據(jù)庫,經(jīng)過云服務(wù)層處理,將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和室內(nèi)環(huán)境舒適度在Web應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示,并通過遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)實(shí)施遠(yuǎn)程控制終端設(shè)備。實(shí)驗(yàn)證明,該系統(tǒng)可有效地監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境,高效地處理數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了"高效、節(jié)能、安全、環(huán)保"的智能家居應(yīng)用。
 
物聯(lián)網(wǎng)IoT(Internet of Things)是指在物理世界的實(shí)體中部署具有一定感知能力、計(jì)算能力和執(zhí)行能力的各種信息傳感設(shè)備,通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實(shí)施信息傳輸、協(xié)同和處理,從而實(shí)現(xiàn)廣域或更大范圍的人與物、物與物之間的信息交換和互換。其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接,方便識(shí)別、管理和控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國(guó)防、工業(yè)、城市管理、公共安全、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能交通、智能家居、智能電網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和綠色農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。在當(dāng)前大力提倡節(jié)能減排、延緩全球氣候變暖的新形勢(shì)下,物聯(lián)網(wǎng)適時(shí)地提供了實(shí)現(xiàn)“高效、節(jié)能、安全、環(huán)保”的和諧社會(huì)的“管控營(yíng)一體化”基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù),因此,該技術(shù)被認(rèn)為掀起了信息革命的第三次浪潮。本文在物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)上,嘗試以家居室內(nèi)環(huán)境為場(chǎng)景,討論了相關(guān)概念,給出了應(yīng)用模型,分析了數(shù)據(jù)感知、處理、舒適度監(jiān)測(cè)等實(shí)用性關(guān)鍵技術(shù),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),做出了探索性的結(jié)論。
 
1 相關(guān)研究
 
物聯(lián)網(wǎng)概念最早應(yīng)該是1999年由麻省理工學(xué)院研究RFID的Auto—ID中心主任ASHTON K教授提出來的。各國(guó)政府部門對(duì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了廣泛的調(diào)研,制訂了一系列發(fā)展計(jì)劃。
 
2011年7月,我國(guó)科學(xué)技術(shù)部發(fā)布了《國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》,將物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)納入國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),同時(shí)將物聯(lián)網(wǎng)列入“新一代寬帶移動(dòng)無線通信網(wǎng)”國(guó)家科技重大專項(xiàng)中。但現(xiàn)有的研究成果主要集中在工業(yè)、交通、安防等領(lǐng)域,針對(duì)智能家居、廠房環(huán)境監(jiān)控的室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)研究較少。
 
近年來,云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn),允許用戶通過互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地獲取各類計(jì)算資源,如計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、應(yīng)用、服務(wù)等,給物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了支撐;同時(shí),人們對(duì)家居室內(nèi)環(huán)境越來越關(guān)注,室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的高低直接影響到人類生活質(zhì)量的高低,甚至關(guān)系著人類的生存問題。參考文獻(xiàn)討論了室內(nèi)環(huán)境參數(shù)(溫度、相對(duì)濕度、聲環(huán)境和光環(huán)境)與室內(nèi)環(huán)境舒適度的關(guān)系問題。
 
2 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)
 
在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的初級(jí)階段,其標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)一般為3層:感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,但物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生、分析、處理和管理的數(shù)據(jù)是海量的,原始數(shù)據(jù)若要具備各種實(shí)際意義,需要可擴(kuò)展的巨量計(jì)算資源予以支持。而云計(jì)算能夠提供彈性、無限可擴(kuò)展、價(jià)格低廉的計(jì)算和存儲(chǔ)服務(wù),滿足物聯(lián)網(wǎng)需求,因此本文在物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)上加入云計(jì)算,為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求提供強(qiáng)大的計(jì)算能力和計(jì)算智能服務(wù),構(gòu)成改進(jìn)的包含感知層、網(wǎng)絡(luò)層、云服務(wù)層和應(yīng)用層4層的家居室內(nèi)環(huán)境在線監(jiān)控模型,如圖1所示。
 
基于物聯(lián)網(wǎng)的家居室內(nèi)環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)研究
 
感知層包括傳感器等數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備以及數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)關(guān)前的傳感器網(wǎng)絡(luò),在模型中這層是基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)接入、網(wǎng)絡(luò)傳輸以及相應(yīng)的管理與控制,這層由互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)和服務(wù)器集群的網(wǎng)絡(luò)接入程序組成;云服務(wù)層主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、挖掘、分析已有數(shù)據(jù),為應(yīng)用層提供及時(shí)、可擴(kuò)展、智能化的服務(wù),保證應(yīng)用層的可靠性、安全性、可擴(kuò)展性,可以根據(jù)需要對(duì)海量數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的基礎(chǔ)服務(wù);應(yīng)用層解決系統(tǒng)需求上的信息處理與人機(jī)交互的問題,是以家居室內(nèi)環(huán)境為應(yīng)用場(chǎng)景的Web應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng),監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境及終端設(shè)備,可以調(diào)節(jié)、分析和預(yù)測(cè)環(huán)境狀態(tài)。
 
3 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
 
本系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)選用美國(guó)TI公司的無線通信芯片CC2530開發(fā)平臺(tái),并使用ZigBee協(xié)議棧ZStack-CC2530-2.3.0- 1.4.0和嵌入式開發(fā)集成環(huán)境(IDE)IAR Embedded Workbench進(jìn)行開發(fā)并管理無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用工程。
 
3.1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
 
模型中所包含的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分采用基于ZigBee技術(shù)的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),由主協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成,終端節(jié)點(diǎn)只能與對(duì)應(yīng)的主協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信,終端節(jié)點(diǎn)之間不能通信。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、終端節(jié)點(diǎn)能耗較小等優(yōu)勢(shì),在電池供電情況下主協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)可以擁有更長(zhǎng)的工作時(shí)間。
 
ZigBee是基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。美國(guó)TI公司的CC2530芯片集成了51單片機(jī)內(nèi)核,其開發(fā)平臺(tái)具有基于2004/2006/2007/PRO協(xié)議棧的開發(fā)模板。針對(duì)CC2530芯片的ZigBee開發(fā)平臺(tái)可與IAR for MCS-51集成開發(fā)環(huán)境無縫連接,操作和連接方便。系統(tǒng)中主協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò),由USB接口直接供電;終端節(jié)點(diǎn)由自帶電池供電;主協(xié)調(diào)器與遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)通過USB直接串口連接,并通過CC2530的射頻模塊實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備的無線通信。
 
3.1.2 CC2530開發(fā)平臺(tái)
 
TI CC2530開發(fā)平臺(tái)采用Z-Stack微操作系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。Z-Stack是由TI公司推出的業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧,支持多種平臺(tái)。Z-Stack包含了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膸捉谌δ艿膮f(xié)議棧,采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建,采用事件輪循機(jī)制,當(dāng)各層初始化之后,系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式;當(dāng)事件發(fā)生時(shí),喚醒系統(tǒng),開始進(jìn)入中斷處理事件,結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生,則判斷優(yōu)先級(jí),逐次處理事件。這種軟件構(gòu)架可以極大地降低系統(tǒng)功耗。整個(gè)Z-Stack的主要工作流程大致分為系統(tǒng)啟動(dòng)、驅(qū)動(dòng)初始化、OSAL初始化和啟動(dòng)、進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段。
 
在本系統(tǒng)中,由于傳感節(jié)點(diǎn)少、傳輸距離短,選擇星型網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),協(xié)調(diào)器采用廣播的方式發(fā)送信息,而終端節(jié)點(diǎn)采用單播發(fā)送方式數(shù)據(jù)。CC2530平臺(tái)支持避免沖突的載波偵聽多路存取(CSMA/CA)功能,在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)后,主協(xié)調(diào)器處于監(jiān)聽狀態(tài),終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送,如果偵聽信道狀態(tài)空閑則傳送數(shù)據(jù)包,否則等待并延時(shí),直到信道狀態(tài)空閑數(shù)據(jù)包發(fā)送成功為止。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點(diǎn)內(nèi)部程序流程如圖2所示。
 
基于物聯(lián)網(wǎng)的家居室內(nèi)環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)研究
 
3.2 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)
 
本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中主協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)是Web系統(tǒng)。連接程序在MyEclipse2013環(huán)境下用Java編寫,RXTXcomm.jar函數(shù)庫支持串口通信。頁面程序通過JSP實(shí)現(xiàn),可以對(duì)波特率及COM端口等進(jìn)行設(shè)置調(diào)整,并可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接收,并按照設(shè)置好的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,通過Java編寫的存儲(chǔ)程序存入遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫。接口程序流程如圖3所示。
 
本系統(tǒng)通過一個(gè)結(jié)構(gòu)體對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行規(guī)范,以便于數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)包格式如表1所示。數(shù)據(jù)頭使用的是“&&”字符,數(shù)據(jù)尾采用1個(gè)“&”。
 
基于物聯(lián)網(wǎng)的家居室內(nèi)環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)研究
 
例如路由節(jié)點(diǎn)采集溫度時(shí)使用如下填充數(shù)據(jù)的方式,如表2所示。設(shè)備名稱temp表示設(shè)備是溫度設(shè)備;節(jié)點(diǎn)類型ROU表示節(jié)點(diǎn)是路由節(jié)點(diǎn);后面緊跟路由器的網(wǎng)絡(luò)地址;傳感器數(shù)據(jù)值字段采集的是含1位小數(shù)的4位溫度值。
 
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3.3 Web應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)
 
利用JSP和前端Ajax框架ExtJs,使用MySQL數(shù)據(jù)庫和Tomcat服務(wù)器,開發(fā)的Web應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)可以與遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)和云服務(wù)平臺(tái)進(jìn)行快速整合,界面操作簡(jiǎn)單、美觀,且能夠大大縮短系統(tǒng)的研發(fā)周期,降低開發(fā)成本。
 
該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人性化監(jiān)控,包括室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)顯示、終端節(jié)點(diǎn)控制以及對(duì)數(shù)據(jù)通過云服務(wù)層處理進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境舒適度評(píng)分,并列出所在服務(wù)系統(tǒng)中的排名。系統(tǒng)界面如圖4所示。
 
基于物聯(lián)網(wǎng)的家居室內(nèi)環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)研究
 
系統(tǒng)中只對(duì)溫度(T)、濕度(H)和光照(I)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。Web應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)中排名算法為:Ri=|Ti-T|+|Hi-H|+|Ii-I|,其中T、H、I是設(shè)定的參考值,再經(jīng)過與系統(tǒng)中各R值進(jìn)行比較得出。參數(shù)狀態(tài)及舒適度算法采用模糊理論,對(duì)應(yīng)參數(shù)狀態(tài)如表3所示,熱舒適度評(píng)判如表4所示,光舒適度評(píng)判如表5所示,室內(nèi)環(huán)境舒適度評(píng)判如表6所示。
 
基于物聯(lián)網(wǎng)的家居室內(nèi)環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)研究
 
4 實(shí)驗(yàn)
 
本文采用一個(gè)室內(nèi)環(huán)境作為測(cè)試場(chǎng)景?;跓o線傳感網(wǎng)絡(luò),結(jié)合Web技術(shù)設(shè)計(jì)出能夠通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)家居室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。測(cè)試整體監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)如圖5所示。圖中,1為Web應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng),2為遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái),3為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。主協(xié)調(diào)器與遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)通過USB串口相連接,溫濕度和光設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控平臺(tái)相距20 m且放置在不同的房間,啟動(dòng)Web應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng),監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境終端節(jié)點(diǎn),可以查看遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)和室內(nèi)環(huán)境舒適度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
 
基于物聯(lián)網(wǎng)的家居室內(nèi)環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)研究
 
實(shí)驗(yàn)開始后,點(diǎn)擊室內(nèi)環(huán)境遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)上按鈕,進(jìn)入該平臺(tái)查看監(jiān)測(cè)到的溫度、濕度和光照強(qiáng)度值,如果對(duì)光照強(qiáng)度不滿意,可以點(diǎn)擊燈光控制按鈕進(jìn)行調(diào)控,同時(shí)可以點(diǎn)擊室內(nèi)環(huán)境舒適度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按鈕,進(jìn)入該平臺(tái)查看溫度狀態(tài)、濕度狀態(tài)、光舒適度、室內(nèi)環(huán)境舒適度和排名情況。
 
試驗(yàn)證明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作正常,遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)和Web應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)之間進(jìn)行通信,對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。
 
本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò),結(jié)合云計(jì)算和Web 2.0技術(shù)設(shè)計(jì)出能通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明,通過Web應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)可對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,并能夠根據(jù)舒適度監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)家居室內(nèi)環(huán)境相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,從而完成對(duì)室內(nèi)環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的,為下一步實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),是物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)在家居室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域的一次成功嘗試。
 
下一步的研究方向是:(1)用Boa構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器作為家庭服務(wù)器,采用嵌入式Web服務(wù)監(jiān)控平臺(tái)作為遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái),由TQ2440開發(fā)板以及Boa服務(wù)器組成,UART0編程實(shí)現(xiàn)串口通信,負(fù)責(zé)與主協(xié)調(diào)器的連接;(2)構(gòu)建基于Hadoop的云服務(wù)平臺(tái),進(jìn)行海量數(shù)據(jù)分析和提供人性化服務(wù);(3)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)的具體化及其舒適度評(píng)判模型的詳細(xì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
 
本文來源于電子技術(shù)應(yīng)用。
 
 
 
 
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