基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)設(shè)備監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)室內(nèi)設(shè)備的監(jiān)管問(wèn)題，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的室內(nèi)設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合以太網(wǎng)通信、以太網(wǎng)供電（POE）和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)、POE交換機(jī)和服務(wù)端四部分組成。通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)與被監(jiān)控設(shè)備綁定，利用加速度傳感器、溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)管設(shè)備的信息采集，利用無(wú)線傳感網(wǎng)傳輸前端感知數(shù)據(jù)，并使用以太網(wǎng)作為主干網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和供電，最終由服務(wù)端完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理和呈現(xiàn)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰合理，部署簡(jiǎn)單，為室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新思路。

關(guān)鍵字： 物聯(lián)網(wǎng)； 以太網(wǎng)； POE； 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 室內(nèi)設(shè)備； 監(jiān)管系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN926?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）03?0031?03

Design of IoT?based monitoring and management system for indoor equipments

LI Hua?zhou

（School of Information Engineering， Nanning College For Vocational Technology， Nanning 530009， China）

Abstract： An indoor equipment monitoring and management system based on Internet of Things technology is proposed in this paper to solve the For regulatory issues of indoor equipments. The system is realized by Ethernet communication， power over Ethernet （POE） and wireless sensor network technology. It consists of terminal node， reference node， POE exchanger and server?side. Information acquisition of the monitored equipments is implemented by binding the terminal nodes to the monitored equipments， and using acceleration sensor and temperature sensor. Wireless sensor network is used for transmission of the front?end perception data. Ethernet is employed as a backbone network for data transmission and power supply. Data storage， processing and display are achieved by server. The system has reasonable structure and simple deployment. It provided a new idea for design of indoor monitoring system.

Keywords： IoT； Ethernet； POE； WSN； indoor equipment； monitoring and management system

0 引 言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)室內(nèi)貴重設(shè)備的管理要求不斷提高。目前對(duì)于室內(nèi)設(shè)備的監(jiān)控和管理，采用的方法以人工結(jié)合監(jiān)控?cái)z像頭等方式，智能化程度不高。部分系統(tǒng)使用RFID實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，監(jiān)控功能也受限。對(duì)于電子設(shè)備的定位和使用率等數(shù)據(jù)，都是通過(guò)人為登記的方式實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

有線以太網(wǎng)在室內(nèi)信息交互中具有基礎(chǔ)設(shè)施齊全，容易布線，覆蓋廣泛，傳輸穩(wěn)定性與可靠性高，可直接接入公網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)。以太網(wǎng)供電（Power Over Ethernet）[1]技術(shù)在無(wú)線路由、無(wú)線AP、VoIP電話及安防設(shè)備等產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，符合802.3af標(biāo)準(zhǔn)[2]的POE的PD端設(shè)備可以從PSE端設(shè)備獲得10 W以上的電能。802.15.4無(wú)線[3]具有通信功耗低、頻段免費(fèi)使用等優(yōu)點(diǎn)，而且用來(lái)實(shí)現(xiàn)安防監(jiān)控隱蔽性高。

為此，本文利用建筑物內(nèi)和樓宇之間現(xiàn)有有線以太網(wǎng)的可靠通信并可實(shí)現(xiàn)POE供電，同時(shí)利用802.15.4的低功耗、監(jiān)控高隱蔽性等優(yōu)勢(shì)，形成一個(gè)由無(wú)線和有線組成的室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)使用低功耗的溫濕度、加速度傳感器，并基于此混合通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)基于室內(nèi)設(shè)備的管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控等應(yīng)用。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。按照物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可將系統(tǒng)分為：

感知層：由終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。在每個(gè)需要監(jiān)控的設(shè)備如筆記本電腦、投影儀、工作站上都貼了一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。它是帶有溫濕度傳感器芯片、低功耗三軸加速度傳感器芯片、具有無(wú)線通信功能的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它可以采集溫度、加速度數(shù)據(jù)和收發(fā)標(biāo)準(zhǔn)802.15.4協(xié)議的無(wú)線數(shù)據(jù)包。它的工作方式是基于休眠?喚醒機(jī)制。ATmega128RFA1[4]的Power Down 工作模式在WDT關(guān)閉的情況下工作電流為100 nA，RTC 定時(shí)器中斷或外部中斷可喚醒正在休眠的MCU。

網(wǎng)絡(luò)層：由參考節(jié)點(diǎn)和以交換機(jī)為核心的以太網(wǎng)組成通信網(wǎng)絡(luò)。參考節(jié)點(diǎn)既可以與終端節(jié)點(diǎn)無(wú)線交互無(wú)線數(shù)據(jù)包，也可以通過(guò)雙絞線連接到POE交換機(jī)。它接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的無(wú)線數(shù)據(jù)包，并將有效傳感器數(shù)據(jù)取出，轉(zhuǎn)存至以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)包，通過(guò)以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至以太網(wǎng)中的服務(wù)器主機(jī)。同時(shí)它作為IEEE 802.3af協(xié)議中 的PD 端（Powered Device）可以從POE交換機(jī)獲得10 W 以上的電能，足夠MCU全時(shí)間工作在常態(tài)模式。POE交換機(jī)是二層交換機(jī)，作用是以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的交換，并作為供電端（PSE端）給受電端（PD端）提供電能。

應(yīng)用層：由服務(wù)端完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和應(yīng)用。服務(wù)端負(fù)責(zé)將參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，并存入系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，為應(yīng)用層提供云數(shù)據(jù)服務(wù)。同時(shí)服務(wù)端搭建了Web服務(wù)供客戶主機(jī)訪問(wèn)，本系統(tǒng)在服務(wù)端設(shè)計(jì)了一個(gè)Windows下Apache+MySQL+PHP[5]的示例網(wǎng)站提供設(shè)備的管理和監(jiān)控。

2 系統(tǒng)組成部分

本系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)、POE 交換機(jī)和服務(wù)端四個(gè)部分組成。其中終端節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)中的單片機(jī)使用的是AVR 的ATmega128RFA1 的這款SOC。

2.1 終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它使用的傳感器有三軸加速度傳感器LIS3DH[6]、溫濕度傳感器SI7005。兩種傳感器都是I2C型。兩個(gè)不同地址的I2C設(shè)備通過(guò)I2C總線能被MCU尋址訪問(wèn)。

終端節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)制如圖3所示，它是基于休眠喚醒機(jī)制，在大多數(shù)的時(shí)間內(nèi)，MCU是工作在power down 的工作模式內(nèi)。在此模式下MCU的耗電電流是0.9 μA。它可以被設(shè)置的RTC定時(shí)喚醒，也可以被外部中斷喚醒。此處是10 s 定時(shí)喚醒一次采集溫度數(shù)據(jù)并發(fā)送溫度包。外部中斷與三軸加速度的報(bào)警中斷連接，中斷觸發(fā)后被喚醒的MCU會(huì)通過(guò)無(wú)線收發(fā)IC 發(fā)送加速度報(bào)警數(shù)據(jù)包。然后再進(jìn)入休眠模式。這樣的工作機(jī)制是最大限度的保證節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間即電池的續(xù)航時(shí)間。

2.2 參考節(jié)點(diǎn)

參考節(jié)點(diǎn)按功能模塊劃分可以分為網(wǎng)絡(luò)接口模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊，如圖4所示。

（1） 網(wǎng)絡(luò)接口模塊

PHY以太網(wǎng)控制器使用的是ENC28J60?ISO。它兼容標(biāo)準(zhǔn)的IEEE 802.3協(xié)議，集成部分MAC層和10BASE?T物理層協(xié)議，將以太網(wǎng)串行差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL的SPI信號(hào)與MCU交互，使用的是RJ45的1、2和3、6兩對(duì)串行差分信號(hào)線。

ENC28J60[7]實(shí)現(xiàn)了部分物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，而本系統(tǒng)使用了uIP協(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層以上的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。uIP的工作流程如圖5所示。

圖5 參考節(jié)點(diǎn)通信流程圖

本系統(tǒng)中的參考節(jié)點(diǎn)是作為T(mén)CP客戶端使用http get的方式將溫濕度、無(wú)線數(shù)據(jù)包RSSI數(shù)值、加速度數(shù)據(jù)寫(xiě)入U(xiǎn)RL中，傳輸?shù)椒?wù)端。

（2） 電源轉(zhuǎn)換模塊

參考節(jié)點(diǎn)采用POE技術(shù)取電。POE使用的是RJ45的4、5和7、8兩對(duì)空閑線對(duì)和網(wǎng)絡(luò)變壓器的中心抽頭。POE模塊使用的POE芯片是Silabs公司的SI3402[8]開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，支持“中跨式”和“終端式”兩種方式的電源輸入，兼容802.3af、802.3at（POE+），集成了所需的整流二極管和瞬態(tài)抑制管。本系統(tǒng)的POE模塊是class 3，可以給負(fù)載提供10 W的電量。

SI3402穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)頻率在350 kHz，參考設(shè)計(jì)方案有隔離和非隔離兩種設(shè)計(jì)。本模塊使用隔離式設(shè)計(jì)。

2.3 POE交換機(jī)

本系統(tǒng)中，POE交換機(jī)使用的是TP?LINK TL?SF1008P 8口二層交換機(jī)。

2.4 服務(wù)端

服務(wù)端的設(shè)計(jì)使用的是Windows下Apache+Mysql+PHP搭建提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)站，提供設(shè)備庫(kù)存管理，設(shè)備借還和設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控三種功能，如圖6所示。

系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括系統(tǒng)的設(shè)備使用率調(diào)查、位置監(jiān)控和防盜。對(duì)于設(shè)備使用率調(diào)查統(tǒng)計(jì)，本系統(tǒng)通過(guò)溫度數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)。將指定設(shè)備的定時(shí)采集到的溫度歷史數(shù)據(jù)超過(guò)35 °C的次數(shù)和總次數(shù)做比值，作為相應(yīng)設(shè)備的使用率并反饋給客戶端。對(duì)于設(shè)備的位置，基于終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的基于RSSI[9]的參數(shù)。服務(wù)端也將可以實(shí)時(shí)地將最新的需要查詢的設(shè)備歸入收到的最大RSSI 值的已知位置的參考節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域呈現(xiàn)。對(duì)于防盜報(bào)警，基于TCP Socket[10]技術(shù)。服務(wù)端會(huì)主動(dòng)地輪詢數(shù)據(jù)庫(kù)中非工作時(shí)間固定設(shè)備的防盜報(bào)警記錄，并主動(dòng)將報(bào)警信息推送給客戶端。

3 結(jié) 語(yǔ)

室內(nèi)的無(wú)線監(jiān)控應(yīng)用，可以與傳統(tǒng)的有線以太網(wǎng)結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的日常管理，還可以通過(guò)傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和報(bào)警。今后本系統(tǒng)可以升級(jí)完善的地方有：

定位的算法部分需要改進(jìn)，目前只是通過(guò)參考節(jié)點(diǎn)的部署，簡(jiǎn)單地通過(guò)RSSI判斷；

參考節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接口部分需要有EMC設(shè)計(jì)改進(jìn)；

報(bào)警可以采用GSM短信報(bào)警、APP報(bào)警等實(shí)用性更好的方式。

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