基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

黃東棟，程 莉，黨晶晶

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

現(xiàn)今，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的同時(shí)，環(huán)境也遭受著嚴(yán)重的破壞，每天都有大量的污染物產(chǎn)生。比如，農(nóng)村發(fā)展滯后，導(dǎo)致小型化肥廠、農(nóng)藥廠等都存在著嚴(yán)重的空氣質(zhì)量隱患；大型畜牧業(yè)畜牧場(chǎng)地使用的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)器材落后、監(jiān)測(cè)不到位，導(dǎo)致畜養(yǎng)成本增加、收入下降；鋼鐵行業(yè)、化工行業(yè)、火力發(fā)電行業(yè)等由于環(huán)境監(jiān)測(cè)不到位，每天都在向空氣中排放大量的污染物，因此對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與保護(hù)顯得越發(fā)重要。

早前，人們對(duì)溫度、濕度、二氧化硫等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)只能用溫度計(jì)、濕度計(jì)、二氧化硫監(jiān)測(cè)儀等單一設(shè)備，不能實(shí)時(shí)，常常需要實(shí)地觀察結(jié)果；后來(lái)出現(xiàn)了數(shù)字測(cè)量?jī)x，對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)可以形成采樣、分析、數(shù)據(jù)處理三步的多節(jié)點(diǎn)采樣分析，但這些現(xiàn)有的設(shè)備仍然存在著不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、多節(jié)點(diǎn)分析等問(wèn)題。

因此，研究一套能夠多參數(shù)、實(shí)時(shí)傳輸、多節(jié)點(diǎn)分析的現(xiàn)代化物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得非常必要。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)成為新一代信息技術(shù)研究的熱點(diǎn)。2014年南京大學(xué)課題組設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［1］，利用SHT11溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度，將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee［2-5］模塊傳給嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，嵌入式網(wǎng)關(guān)部分驅(qū)動(dòng)LCD屏幕顯示動(dòng)態(tài)溫濕度曲線；2017年吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的糧食倉(cāng)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［6］，對(duì)糧倉(cāng)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程觀察。以上研究雖然較最初的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法完善且方便許多，但是在多參數(shù)同時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程便捷管理上仍存在不足。

本文研究的智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，智能控制和管理各類傳感器的數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析，實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)同時(shí)管理、監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)、多節(jié)點(diǎn)分析、PC客戶端管理多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，滿足人們對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)的簡(jiǎn)單化、智能化需求，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值與發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)工作原理

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用達(dá)盛科技物聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)箱作為環(huán)境參數(shù)采集器，系統(tǒng)工作原理如圖1（a）所示，試驗(yàn)箱中的每個(gè)傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都相當(dāng)于一個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線Zigbee上傳到服務(wù)器，PC獲取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)最后進(jìn)行分析處理。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、傳輸、控制三個(gè)部分組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。

圖1 系統(tǒng)：（a）工作原理圖；（b）硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System：（a）Working principle；（b）Hardware structure

1.1 服務(wù)器與客戶端數(shù)據(jù)傳輸單元

PC客戶端登陸和初始化后，程序設(shè)計(jì)模塊將節(jié)點(diǎn)信息通過(guò)服務(wù)器下載到本地，PC客戶端得到這些節(jié)點(diǎn)信息并根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)號(hào)來(lái)操作不同的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)調(diào)用程序設(shè)計(jì)模塊函數(shù)來(lái)發(fā)送各種請(qǐng)求。程序設(shè)計(jì)模塊把對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求根據(jù)已設(shè)定的協(xié)議編譯成請(qǐng)求數(shù)據(jù)報(bào)并發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器得到請(qǐng)求之后根據(jù)協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給程序設(shè)計(jì)模塊，程序設(shè)計(jì)模塊接收數(shù)據(jù)后再把數(shù)據(jù)過(guò)窗口消息傳遞給PC客戶端。通信如圖2所示。

圖2 通信過(guò)程Fig.2 Communication process

1.2 無(wú)線Zigbee傳輸單元

物聯(lián)網(wǎng)中一般用到的無(wú)線傳輸技術(shù)有藍(lán)牙、2.4 GHz無(wú)線技術(shù)、WiFi、ZigBee、紅外等，本系統(tǒng)使用ZigBee。ZigBee技術(shù)是一種低復(fù)雜度、低功耗、低成本、低傳輸速率的雙向無(wú)線通信技術(shù)，它基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)［7-10］，其優(yōu)勢(shì)有：成本低、功耗小、大容量、自動(dòng)組網(wǎng)、安全。系統(tǒng)Zigbee傳輸單元中的協(xié)調(diào)器電路如圖3所示。

1.3 PC客戶端數(shù)據(jù)處理單元

PC端是所有數(shù)據(jù)的處理端，PC端數(shù)據(jù)處理流程如圖4（a）所示，首先處于監(jiān)聽(tīng)檢測(cè)狀態(tài)，一旦有鏈接請(qǐng)求就捕捉鏈接IP和端口，然后接收數(shù)據(jù)并檢測(cè)數(shù)據(jù)包、解析數(shù)據(jù)包；數(shù)據(jù)校驗(yàn)失敗就重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖3 Zigbee協(xié)調(diào)器電路圖Fig.3 Zigbee coordinator circuit

圖4 流程圖：（a）數(shù)據(jù)處理；（b）協(xié)調(diào)器節(jié)電程序；（c）中斷節(jié)點(diǎn)程序Fig.4 Flowcharts：（a）Data processing；（b）Coordinator power-saving program；（c）Interrupt node program

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有Zigbee協(xié)議棧部分和PC客戶端軟件設(shè)計(jì)部分。Zigbee協(xié)議棧部分包括Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)和終端程序設(shè)計(jì)，主要完成將終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線順利傳送到服務(wù)器。PC客戶端軟件設(shè)計(jì)部分主要包括WinForm窗體程序設(shè)計(jì)，主要完成終端控制操作和數(shù)據(jù)結(jié)果顯示。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)上電后的檢測(cè)以及初始化后，系統(tǒng)自動(dòng)選擇一個(gè)合適信道建立網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)收到其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，若地址未滿，自動(dòng)為節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)后便向協(xié)調(diào)器定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給PC端，程序流程圖如圖 4（b）所示。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端主要完成采集數(shù)據(jù)的發(fā)送，終端節(jié)點(diǎn)從控制模塊接收傳感器采集的數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。首先，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)合適的網(wǎng)絡(luò)并向協(xié)調(diào)器發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求。加入成功后，便會(huì)周期性地將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。程序流程圖如圖4（c）所示。

2.3 PC客戶端軟件設(shè)計(jì)

PC客戶端軟件設(shè)計(jì)部分主要完成終端控制操作和數(shù)據(jù)結(jié)果顯示。首先是采用C#［11-15］WinForm窗體程序設(shè)計(jì)進(jìn)行登陸界面的設(shè)計(jì)，登陸驗(yàn)證流程如圖5所示，包括登錄信息判斷是否為空、系統(tǒng)連接數(shù)據(jù)驗(yàn)證登錄信息；然后是控制界面以及數(shù)據(jù)顯示部分的設(shè)計(jì)，包括溫度、光照檢測(cè)，多采樣模式和單采樣模式。

圖5 登陸驗(yàn)證流程圖Fig.5 Login verification folwchart

3 結(jié)果測(cè)試與總結(jié)

3.1 PC端登陸測(cè)試

按照登陸流程，輸入賬號(hào)和密碼進(jìn)行登陸測(cè)試，首先進(jìn)行空登陸測(cè)試，無(wú)法登陸；然后進(jìn)行賬號(hào)和密碼正確輸入登陸測(cè)試，結(jié)果顯示登陸成功。

3.2 環(huán)境參數(shù)監(jiān)控測(cè)試

3.2.1 溫度監(jiān)測(cè) 選擇溫度測(cè)試，然后選擇多次連續(xù)采樣（即多節(jié)點(diǎn)采樣）。在試驗(yàn)箱附近放置溫度計(jì)，測(cè)試實(shí)際溫度，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果分析如表1所示，溫度誤差率均小于0.01，本系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與事實(shí)相符，達(dá)到預(yù)期的溫度參數(shù)多節(jié)點(diǎn)、實(shí)時(shí)測(cè)試效果。

表1 溫度測(cè)試分析Tab.1 Temperature testing analysis

3.2.2 光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè) 選擇光照強(qiáng)度測(cè)試，然后選擇多次連續(xù)采樣（即多節(jié)點(diǎn)采樣）。在試驗(yàn)箱附近放置專門的光照強(qiáng)度測(cè)試儀，測(cè)試實(shí)際的光照強(qiáng)度，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果如表2所示，光照強(qiáng)度誤差值都小于6，誤差率小于0.02，本系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與實(shí)時(shí)相符，達(dá)到預(yù)期的光照強(qiáng)度參數(shù)多節(jié)點(diǎn)、實(shí)時(shí)測(cè)試效果。

表2 光照強(qiáng)度測(cè)試分析Tab.2 Light intensity testing analysis Lx

4 結(jié) 語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，利用服務(wù)器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析優(yōu)勢(shì)，對(duì)環(huán)境中多個(gè)參數(shù)進(jìn)行快速遠(yuǎn)程監(jiān)控和多采樣分析，達(dá)到了對(duì)環(huán)境參數(shù)的快速、準(zhǔn)確、科學(xué)監(jiān)控。另外，通過(guò)以上可靠性結(jié)果分析，該方案監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差極小，誤差率均小于0.02。表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案成功，有較好的實(shí)用價(jià)值和推廣潛力。

另外，在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在數(shù)據(jù)采集模塊添加更多的例如二氧化硫傳感器、放射性物質(zhì)傳感器等，可以達(dá)到更多環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析。

［1］朱俊光，高健.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014（11）：94-98.

［2］程龍，蔣永平.ZigBee無(wú)線局域網(wǎng)與Internet的接入設(shè)計(jì)［J］.信息技術(shù)，2015（1）：37-41.

［3］張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013（1）：171-176.

［4］李文仲，段朝玉.ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［5］張藝粟，李鴻彬，賈軍營(yíng)，等.物聯(lián)網(wǎng)ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2013（6）：28-34.

［6］馮超，徐艷蕾.基于物聯(lián)網(wǎng)的糧食倉(cāng)庫(kù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2017（2）：28-34.

［7］吳考.IEEE802.15.4的MAC協(xié)議實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010（4）：8-11.

［8］敬朝暉，趙峰，朱慶源，等.基于IEEE802.15.4實(shí)現(xiàn)無(wú)線語(yǔ)音通信［J］.信息技術(shù)，2009（8）：45-49.

［9］周先軍，周丹，李利榮，等.IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)分析［J］.通信技術(shù)，2009（3）：254-256.

［10］何鑫，唐宏.寬帶無(wú)線接入技術(shù)IEEE802.20介紹［J］.通信技術(shù)，2007（11）：151-153.

［11］余秋明，羅來(lái)俊，王東海.C/C#語(yǔ)言教學(xué)初探與比較［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)（學(xué)術(shù)交流），2006（26）：202-203.

［12］張莉，韓其睿.淺談C#編程語(yǔ)言的特點(diǎn)及潛在的新功能［J］.儀器儀表用戶，2005（5）：83-85.

［13］翟希述，王寶興，范淼.基于Visual C#的串口通信程序設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2011（2）：24-26.

［14］沈?qū)m新.基于C#的Windows窗體端口掃描程序分析［J］.自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)技術(shù)，2017（3）：38-40.

［15］姜拓，張劍平.基于C～#的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子測(cè)試，2009（9）：58-61.