基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)研究

劉西青

(山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院教科研部，山西 太原 030031)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)(又叫傳感網(wǎng))早在1999年國內(nèi)就被提出來了。該網(wǎng)絡(luò)將被監(jiān)控對象與互聯(lián)網(wǎng)相連接，使用 RFID(射頻識別)、紅外感應(yīng)器、GPRS(全球定位系統(tǒng))和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的通信協(xié)議，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種綜合智能網(wǎng)絡(luò)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和完善，物聯(lián)網(wǎng)被應(yīng)用在各行各業(yè)，涉及智能交通、環(huán)護(hù)、安全、家居、消防和工業(yè)監(jiān)測監(jiān)控等多個領(lǐng)域。有專家預(yù)計，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會發(fā)展成為一個具有上萬億元規(guī)模的高科技市場。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平日益提高的背景下，人們對家居環(huán)境要求也日見增高，希望住宅不僅更便利、舒適而且更安全。國家建設(shè)部規(guī)定，目前住宅小區(qū)應(yīng)實(shí)現(xiàn)六項智能化要求，其中包括實(shí)行安全防范系統(tǒng)自動化監(jiān)控管理，如對住宅的火災(zāi)、有害氣體泄漏實(shí)行自動報警等?；馂?zāi)報警系統(tǒng)應(yīng)是以煙、溫及可燃?xì)怏w等探測器為主體。

目前關(guān)于智能小區(qū)的研究主要集中在商業(yè)大廈和辦公大樓的整體控制上，而對單戶型的室內(nèi)智能控制研究甚少，而監(jiān)控系統(tǒng)的集成控制也是個研究方向，即室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)互連的技術(shù)問題以及監(jiān)控系統(tǒng)與建筑電氣、通風(fēng)空調(diào)、給排水、建筑消防、生活娛樂等子系統(tǒng)相連，組成一個系統(tǒng)，集中控制的技術(shù)問題。因此，室內(nèi)智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和很大的研究空間。另一方面，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步，人們對現(xiàn)代化居住和辦公的環(huán)境提出了更高要求，也使得構(gòu)建智能小區(qū)的呼聲越來越高，而要構(gòu)建智能小區(qū)，室內(nèi)智能監(jiān)控系統(tǒng)必不可少。

為此，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和GSM/GPRS的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多種傳感器、C8051F040單片機(jī)及SIM300無線通信模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)采集、處理、發(fā)送系統(tǒng)，能夠連續(xù)實(shí)時的對監(jiān)測現(xiàn)場的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，并通過GSM/GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)，將室內(nèi)信息及時反饋。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案

該設(shè)計實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境防火、防盜等的智能監(jiān)控。系統(tǒng)以C8051F040單片機(jī)為主控制器，以無線調(diào)制解調(diào)器為通信載體。智能監(jiān)控系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

其中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息采集模塊的為各類傳感器和無線信號接收單元;智能監(jiān)控模塊為C8051F040單片機(jī);GSM/GPRS通信網(wǎng)絡(luò)依托SIM300無線通信模塊發(fā)送監(jiān)控信號;用戶手機(jī)或智能監(jiān)控中心接收監(jiān)控信號，并作出及時的處理，從而實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控。

2 信息采集模塊的設(shè)計

室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或發(fā)生有毒氣體泄露時，室內(nèi)空氣的溫度會發(fā)生變化，煙霧及有毒氣體等的濃度等級也會有明顯的變化，因此可以通過相應(yīng)的傳感裝置進(jìn)行此類信息的實(shí)時采集。

此系統(tǒng)用到的傳感器有溫度傳感器、一氧化碳傳感器和煙霧傳感器，分別用來監(jiān)測和預(yù)防火災(zāi)和有毒氣體(如一氧化碳)泄漏的發(fā)生。實(shí)際使用中可根據(jù)需要再增加其它類型的傳感器(如門磁設(shè)備、紅外傳感器等)，從而達(dá)到不同的監(jiān)控目的。

圖1 智能監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

3 信息的智能處理技術(shù)

此系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于對信息的智能化處理，即如圖2所示的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感器智能處理系統(tǒng)。

圖2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多傳感器信息智能處理系統(tǒng)

該系統(tǒng)的組成和工作過程為:首先對溫度、煙霧濃度和CO濃度傳感器進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，然后對其采集到的環(huán)境特征數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和特征提取后，轉(zhuǎn)換為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠識別處理的輸入特征量，最后由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對輸入特征量智能化處理后得出對室內(nèi)環(huán)境的分析和判斷。

采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化處理，可以極大地提高整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性，有效減少信息的誤報率。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號處理過程接近于人腦的思維活動，有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力、學(xué)習(xí)能力、容錯能力和并行處理能力。當(dāng)輸入輸出關(guān)系無法用具體的數(shù)學(xué)模型來描述時，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能算法通過學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、仿真，可以模擬出輸入輸出之間內(nèi)在的聯(lián)系，以達(dá)到智能處理信息的效果。

4 無線通訊系統(tǒng)

GSM網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的發(fā)展完善，現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，盲區(qū)少，信號穩(wěn)定，自動漫游，并且通訊距離不受周圍環(huán)境影響。尤其是GSM短信息靈活方便，可以跨市、跨省、甚至跨國傳送，而且非常便宜。因此利用手機(jī)短信來實(shí)現(xiàn)報警、遠(yuǎn)程遙控家居設(shè)備是一個非常不錯的選擇。

GPRS就是通用無線分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢，是一項高速數(shù)據(jù)處理的技術(shù)，具有以下特征:①可以更有效地利用無線網(wǎng)絡(luò)信道資源，特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸;②支持的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾矢?，理論峰值達(dá)115kbps，此速度是常用56Kmodem理想速率的兩倍;③計費(fèi)方式更加靈活，可以支持按數(shù)據(jù)流量來進(jìn)行計費(fèi)，迅速降低了服務(wù)成本;④支持在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r進(jìn)行語音通話等。

本系統(tǒng)采用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行報警內(nèi)容的遠(yuǎn)程傳輸。該功能由SIMCOM公司的SIM300模塊來實(shí)現(xiàn)，SIM300是一款三頻段GSM/GPRS模塊，能夠提供GSM短信發(fā)射通道等。該模塊內(nèi)部還集成了TCP/IP協(xié)議棧，并且擴(kuò)展了TCP/IP AT指令，便于用戶開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。系統(tǒng)裝設(shè)SIM卡槽，當(dāng)出現(xiàn)報警信號時，單片機(jī)通過發(fā)送AT指令給SIM300將事先編程好的報警內(nèi)容發(fā)送到戶主手機(jī)上實(shí)現(xiàn)無線報警功能。

發(fā)送短信時，首先要對串口進(jìn)行初始化 ，設(shè)定將要發(fā)送短信的編碼方式，短信收發(fā)系統(tǒng)軟件將短信息中心地址、發(fā)送的目的地址、短信信息按照PDU數(shù)據(jù)格式編碼實(shí)現(xiàn) ，發(fā)送AT指令給SIM300模塊，實(shí)現(xiàn)信息的發(fā)送，最終將信息以中文形式發(fā)送到戶主手機(jī)上。同時，戶主可以發(fā)送短信給SIM300模塊，然后通過單片機(jī)控制家庭設(shè)備，比如開窗、關(guān)閉家用電器等，從而實(shí)現(xiàn)了人機(jī)的遠(yuǎn)程交互。發(fā)送、接受信息的具體流程如圖3和圖4所示。

5 設(shè)計系統(tǒng)的特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)是基于互聯(lián)網(wǎng)和信息傳輸?shù)囊粋€新技術(shù)，通過信息傳感設(shè)備，將物體與人類社會連接起來，從而實(shí)現(xiàn)物物信息交流。過去幾年，智能家居在中國乃至世界得到迅猛發(fā)展。短短幾年，市場上涌現(xiàn)出的種類繁多的智能家居監(jiān)控產(chǎn)品，其主要發(fā)展趨勢為網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成一體化、成本低廉化。本文以實(shí)際工作需要為目的，以科研項目為背景，更多地從實(shí)際應(yīng)用的角度，研究設(shè)計了室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有以下特點(diǎn):

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和GSM/GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用單片機(jī)主控單元、報警信號輸入和設(shè)備控制等單元，系統(tǒng)采用C8051F040單片機(jī)負(fù)責(zé)精確采集報警信號、控制被控設(shè)備的工作狀態(tài)，并負(fù)責(zé)控制SIM300模塊實(shí)時收發(fā)短信息。

圖3 短信發(fā)送流程

圖4 短信接收、處理流程

該系統(tǒng)最為突出的是:根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的硬件電路設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建后，并根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，確定了單片機(jī)工作狀態(tài)，編制了相應(yīng)的單片機(jī)軟件，包括主控單片機(jī)程序、各功能模塊單片機(jī)程序兩大部分。主控單片機(jī)程序主要完成短信息的接收、處理各功能模塊程序，并接收主控模塊的信息，執(zhí)行相應(yīng)的命令，并完成各既定的功能。

由于本系統(tǒng)選用單片機(jī)為主控單元并使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性和先進(jìn)性，經(jīng)過改進(jìn)和完善可推廣到其它領(lǐng)域，具有較廣闊的使用前景。

6 不足與展望

從實(shí)踐應(yīng)用的過程角度，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)還無法實(shí)現(xiàn)精確定位，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)還做不到。物聯(lián)網(wǎng)體系中的新型傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID等技術(shù)以及統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)能夠很好的解決現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)中所存在的問題，但如何將這些技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控和其他生產(chǎn)領(lǐng)域，還需要深入的研究和實(shí)踐。

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［責(zé)任編輯:白文江］