【導讀】系統(tǒng)通過基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡對室內環(huán)境進行監(jiān)控,由遠程智能監(jiān)控平臺與主協(xié)調器通信接收傳感器感知數(shù)據(jù)并上傳至服務器集群的數(shù)據(jù)庫,經(jīng)過云服務層處理,將監(jiān)測數(shù)據(jù)和室內環(huán)境舒適度在Web應用服務系統(tǒng)實時顯示,并通過遠程智能監(jiān)控平臺實施遠程控制終端設備。實驗證明,該系統(tǒng)可有效地監(jiān)控室內環(huán)境,高效地處理數(shù)據(jù),實現(xiàn)了"高效、節(jié)能、安全、環(huán)保"的智能家居應用。
物聯(lián)網(wǎng)IoT(Internet of Things)是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力和執(zhí)行能力的各種信息傳感設備,通過網(wǎng)絡設施實施信息傳輸、協(xié)同和處理,從而實現(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。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人、所有的物品與網(wǎng)絡的連接,方便識別、管理和控制。物聯(lián)網(wǎng)技術在國防、工業(yè)、城市管理、公共安全、遠程醫(yī)療、智能交通、智能家居、智能電網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測和綠色農(nóng)業(yè)等領域擁有廣闊的應用前景。在當前大力提倡節(jié)能減排、延緩全球氣候變暖的新形勢下,物聯(lián)網(wǎng)適時地提供了實現(xiàn)“高效、節(jié)能、安全、環(huán)保”的和諧社會的“管控營一體化”基礎和關鍵技術,因此,該技術被認為掀起了信息革命的第三次浪潮。本文在物聯(lián)網(wǎng)的架構上,嘗試以家居室內環(huán)境為場景,討論了相關概念,給出了應用模型,分析了數(shù)據(jù)感知、處理、舒適度監(jiān)測等實用性關鍵技術,并進行了實驗,做出了探索性的結論。
1 相關研究
物聯(lián)網(wǎng)概念最早應該是1999年由麻省理工學院研究RFID的Auto—ID中心主任ASHTON K教授提出來的。各國政府部門對物聯(lián)網(wǎng)相關技術和產(chǎn)業(yè)進行了廣泛的調研,制訂了一系列發(fā)展計劃。
2011年7月,我國科學技術部發(fā)布了《國家“十二五”科學和技術發(fā)展規(guī)劃》,將物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術納入國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè),同時將物聯(lián)網(wǎng)列入“新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)”國家科技重大專項中。但現(xiàn)有的研究成果主要集中在工業(yè)、交通、安防等領域,針對智能家居、廠房環(huán)境監(jiān)控的室內物聯(lián)網(wǎng)研究較少。
近年來,云計算技術的出現(xiàn),允許用戶通過互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地獲取各類計算資源,如計算能力、存儲能力、應用、服務等,給物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了支撐;同時,人們對家居室內環(huán)境越來越關注,室內環(huán)境質量的高低直接影響到人類生活質量的高低,甚至關系著人類的生存問題。參考文獻討論了室內環(huán)境參數(shù)(溫度、相對濕度、聲環(huán)境和光環(huán)境)與室內環(huán)境舒適度的關系問題。
2 系統(tǒng)模型設計
在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的初級階段,其標準體系結構一般為3層:感知層、網(wǎng)絡層和應用層,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)若要具備各種實際意義,需要可擴展的巨量計算資源予以支持。而云計算能夠提供彈性、無限可擴展、價格低廉的計算和存儲服務,滿足物聯(lián)網(wǎng)需求,因此本文在物聯(lián)網(wǎng)體系結構上加入云計算,為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務需求提供強大的計算能力和計算智能服務,構成改進的包含感知層、網(wǎng)絡層、云服務層和應用層4層的家居室內環(huán)境在線監(jiān)控模型,如圖1所示。
感知層包括傳感器等數(shù)據(jù)采集終端設備以及數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)關前的傳感器網(wǎng)絡,在模型中這層是基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡;網(wǎng)絡層主要負責網(wǎng)絡接入、網(wǎng)絡傳輸以及相應的管理與控制,這層由互聯(lián)網(wǎng)、遠程智能監(jiān)控平臺和服務器集群的網(wǎng)絡接入程序組成;云服務層主要負責存儲、挖掘、分析已有數(shù)據(jù),為應用層提供及時、可擴展、智能化的服務,保證應用層的可靠性、安全性、可擴展性,可以根據(jù)需要對海量數(shù)據(jù)提供存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數(shù)據(jù)決策和行為的基礎服務;應用層解決系統(tǒng)需求上的信息處理與人機交互的問題,是以家居室內環(huán)境為應用場景的Web應用服務系統(tǒng),監(jiān)控室內環(huán)境及終端設備,可以調節(jié)、分析和預測環(huán)境狀態(tài)。
3 系統(tǒng)平臺設計
3.1 無線傳感器網(wǎng)絡
本系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡硬件平臺選用美國TI公司的無線通信芯片CC2530開發(fā)平臺,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進行開發(fā)并管理無線傳感網(wǎng)絡應用工程。
3.1.1 網(wǎng)絡結構
模型中所包含的無線傳感器網(wǎng)絡部分采用基于ZigBee技術的星型拓撲結構,由主協(xié)調器和多個終端節(jié)點組成,終端節(jié)點只能與對應的主協(xié)調器進行通信,終端節(jié)點之間不能通信。星型拓撲結構具有網(wǎng)絡結構簡單、終端節(jié)點能耗較小等優(yōu)勢,在電池供電情況下主協(xié)調器和終端節(jié)點可以擁有更長的工作時間。
ZigBee是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準,其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。美國TI公司的CC2530芯片集成了51單片機內核,其開發(fā)平臺具有基于2004/2006/2007/PRO協(xié)議棧的開發(fā)模板。針對CC2530芯片的ZigBee開發(fā)平臺可與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)調器負責啟動整個網(wǎng)絡,由USB接口直接供電;終端節(jié)點由自帶電池供電;主協(xié)調器與遠程智能監(jiān)控平臺通過USB直接串口連接,并通過CC2530的射頻模塊實現(xiàn)與終端設備的無線通信。
3.1.2 CC2530開發(fā)平臺
TI CC2530開發(fā)平臺采用Z-Stack微操作系統(tǒng)進行應用程序的開發(fā)。Z-Stack是由TI公司推出的業(yè)界領先的ZigBee協(xié)議棧,支持多種平臺。Z-Stack包含了網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲的幾近于全功能的協(xié)議棧,采用操作系統(tǒng)的思想來構建,采用事件輪循機制,當各層初始化之后,系統(tǒng)進入低功耗模式;當事件發(fā)生時,喚醒系統(tǒng),開始進入中斷處理事件,結束后繼續(xù)進入低功耗模式。如果同時有幾個事件發(fā)生,則判斷優(yōu)先級,逐次處理事件。這種軟件構架可以極大地降低系統(tǒng)功耗。整個Z-Stack的主要工作流程大致分為系統(tǒng)啟動、驅動初始化、OSAL初始化和啟動、進入任務輪循幾個階段。
在本系統(tǒng)中,由于傳感節(jié)點少、傳輸距離短,選擇星型網(wǎng)絡的拓撲結構,協(xié)調器采用廣播的方式發(fā)送信息,而終端節(jié)點采用單播發(fā)送方式數(shù)據(jù)。CC2530平臺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)絡啟動后,主協(xié)調器處于監(jiān)聽狀態(tài),終端節(jié)點進行數(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,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)絡中終端節(jié)點內部程序流程如圖2所示。
3.2 遠程智能監(jiān)控平臺
本系統(tǒng)中實現(xiàn)與無線傳感器網(wǎng)絡中主協(xié)調器進行通信的遠程智能監(jiān)控平臺是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實現(xiàn),可以對波特率及COM端口等進行設置調整,并可以進行遠程監(jiān)控。該平臺實現(xiàn)了對無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)接收,并按照設置好的數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)采集,通過Java編寫的存儲程序存入遠程服務器的數(shù)據(jù)庫。接口程序流程如圖3所示。
本系統(tǒng)通過一個結構體對各個節(jié)點的數(shù)據(jù)包進行規(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“&”。
例如路由節(jié)點采集溫度時使用如下填充數(shù)據(jù)的方式,如表2所示。設備名稱temp表示設備是溫度設備;節(jié)點類型ROU表示節(jié)點是路由節(jié)點;后面緊跟路由器的網(wǎng)絡地址;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。
3.3 Web應用服務系統(tǒng)
利用JSP和前端Ajax框架ExtJs,使用MySQL數(shù)據(jù)庫和Tomcat服務器,開發(fā)的Web應用服務系統(tǒng)可以與遠程智能監(jiān)控平臺和云服務平臺進行快速整合,界面操作簡單、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)實現(xiàn)人性化監(jiān)控,包括室內環(huán)境監(jiān)控數(shù)據(jù)顯示、終端節(jié)點控制以及對數(shù)據(jù)通過云服務層處理進行室內環(huán)境舒適度評分,并列出所在服務系統(tǒng)中的排名。系統(tǒng)界面如圖4所示。
系統(tǒng)中只對溫度(T)、濕度(H)和光照(I)3個參數(shù)進行監(jiān)測。Web應用服務系統(tǒng)中排名算法為:Ri=|Ti-T|+|Hi-H|+|Ii-I|,其中T、H、I是設定的參考值,再經(jīng)過與系統(tǒng)中各R值進行比較得出。參數(shù)狀態(tài)及舒適度算法采用模糊理論,對應參數(shù)狀態(tài)如表3所示,熱舒適度評判如表4所示,光舒適度評判如表5所示,室內環(huán)境舒適度評判如表6所示。
4 實驗
本文采用一個室內環(huán)境作為測試場景?;跓o線傳感網(wǎng)絡,結合Web技術設計出能夠通過互聯(lián)網(wǎng)對家居室內環(huán)境進行遠程監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。測試整體監(jiān)控系統(tǒng)平臺如圖5所示。圖中,1為Web應用服務系統(tǒng),2為遠程智能監(jiān)控平臺,3為無線傳感器網(wǎng)絡。主協(xié)調器與遠程智能監(jiān)控平臺通過USB串口相連接,溫濕度和光設備終端節(jié)點與監(jiān)控平臺相距20 m且放置在不同的房間,啟動Web應用服務系統(tǒng),監(jiān)控室內環(huán)境終端節(jié)點,可以查看遠程智能監(jiān)控平臺和室內環(huán)境舒適度監(jiān)測系統(tǒng)。
實驗開始后,點擊室內環(huán)境遠程智能監(jiān)控平臺上按鈕,進入該平臺查看監(jiān)測到的溫度、濕度和光照強度值,如果對光照強度不滿意,可以點擊燈光控制按鈕進行調控,同時可以點擊室內環(huán)境舒適度監(jiān)測系統(tǒng)按鈕,進入該平臺查看溫度狀態(tài)、濕度狀態(tài)、光舒適度、室內環(huán)境舒適度和排名情況。
試驗證明無線傳感器網(wǎng)絡工作正常,遠程智能監(jiān)控平臺在無線傳感網(wǎng)絡和Web應用服務系統(tǒng)之間進行通信,對室內環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)測,并根據(jù)實際情況對終端節(jié)點進行控制。
本文基于無線傳感器網(wǎng)絡,結合云計算和Web 2.0技術設計出能通過互聯(lián)網(wǎng)對室內環(huán)境進行遠程監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。實驗證明,通過Web應用服務系統(tǒng)可對無線傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行實時顯示,并能夠根據(jù)舒適度監(jiān)測結果對家居室內環(huán)境相應設備進行遠程控制,從而完成對室內環(huán)境的自動調節(jié)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了設計目的,為下一步實現(xiàn)多平臺實時監(jiān)控打下了堅實基礎,是物聯(lián)網(wǎng)架構在家居室內環(huán)境監(jiān)控領域的一次成功嘗試。
下一步的研究方向是:(1)用Boa構建嵌入式Web服務器作為家庭服務器,采用嵌入式Web服務監(jiān)控平臺作為遠程智能監(jiān)控平臺,由TQ2440開發(fā)板以及Boa服務器組成,UART0編程實現(xiàn)串口通信,負責與主協(xié)調器的連接;(2)構建基于Hadoop的云服務平臺,進行海量數(shù)據(jù)分析和提供人性化服務;(3)室內環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的具體化及其舒適度評判模型的詳細設計和實現(xiàn)。
本文來源于電子技術應用。
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