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*

吳岳忠，汪 濤，周訓(xùn)志，余貴軍

（湖南工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，湖南 株洲412007）

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(guò)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[1]。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)?！钡暮椭C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(lái)的[2]。各國(guó)政府部門(mén)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(wú)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(lái)，云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)，允許用戶通過(guò)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[3]；同時(shí)，人們對(duì)家居室內(nèi)環(huán)境越來(lái)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(wèn)題。參考文獻(xiàn)[4]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(wèn)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[5]。而云計(jì)算能夠提供彈性、無(wú)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)[6]，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。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的家居室內(nèi)環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)模型

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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]；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(wèn)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)[5]。

3 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)選用美國(guó)TI公司的無(wú)線通信芯片CC2530開(kāi)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(kāi)發(fā)集成環(huán)境（IDE）IAR Embedded Workbench進(jìn)行開(kāi)發(fā)并管理無(wú)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(wú)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(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)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(kāi)發(fā)平臺(tái)具有基于2004/2006/2007/PRO協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)模板。針對(duì)CC2530芯片的ZigBee開(kāi)發(fā)平臺(tái)可與IAR for MCS-51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境無(wú)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(guò)USB直接串口連接，并通過(guò)CC2530的射頻模塊實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備的無(wú)線通信。

3.1.2 CC2530開(kāi)發(fā)平臺(tái)

TI CC2530開(kāi)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(kāi)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(lái)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(kāi)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(tīng)多路存?。–SMA/CA）功能，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)后，主協(xié)調(diào)器處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，如果偵聽(tīng)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(wú)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。

3.2 遠(yuǎn)程智能監(jiān)控平臺(tái)

本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)與無(wú)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(xiě)，RXTXcomm.jar函數(shù)庫(kù)支持串口通信。頁(yè)面程序通過(guò)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(wú)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(guò)Java編寫(xiě)的存儲(chǔ)程序存入遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)。接口程序流程如圖3所示。

圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中終端節(jié)點(diǎn)內(nèi)部程序流程

圖3 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)接口程序流程圖

本系統(tǒng)通過(guò)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)“&”。

表1 數(shù)據(jù)包格式

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。

表2 路由器采集溫度使用的數(shù)據(jù)包

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(kù)和Tomcat服務(wù)器，開(kāi)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(kāi)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(guò)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。

圖4 Web應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)

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(guò)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。

表3 各參數(shù)對(duì)應(yīng)狀態(tài)

表4 熱舒適度評(píng)判

表5 光舒適度評(píng)判表

表6 室內(nèi)環(huán)境舒適度評(píng)判表

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。基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合Web技術(shù)設(shè)計(jì)出能夠通過(guò)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(wú)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(guò)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)。

圖5 家居室內(nèi)環(huán)境在線監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)開(kāi)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(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)Web應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)可對(duì)無(wú)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(kāi)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)。

[1]周洪波.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)和商業(yè)模式[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]International Telecommunication Union.Internet reports 2005：The Internet of Things[R].Geneva：ITU，2005.

[3]ARMBRUST M，F(xiàn)OX A，GRIFFITH R，et al.Above the clouds：a berkeley view of cloud computing[R].University of California，Berkeley，Tech.Rep.USB-EECS-2009-28，2009.

[4]謝東坡.室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)與舒適度評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2009.

[5]馮登國(guó)，張敏，張妍，等.云計(jì)算安全研究[J].軟件學(xué)報(bào)，2011，22(1)：71-83.

[6]陳康，鄭緯民.云計(jì)算：系統(tǒng)實(shí)例與研究現(xiàn)狀[J].軟件學(xué)報(bào)，2009，20(5)：1337-1348.

[7]姜帥，武奇生，王為之.物聯(lián)網(wǎng)智能家居防盜安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32(23)：55-57.