基于ZigBee云服務(wù)的拖拉機作業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

吳杰楠

(廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣州　510075)

0　引言

隨著遠程監(jiān)測系統(tǒng)不斷深入發(fā)展，其應(yīng)用范圍已經(jīng)擴展到各行各業(yè)中，包括電力機房、通信機房、鐵路機房，包括公寓、居民樓、實驗室及寫字樓等場所。遠程監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對目標(biāo)長時間不間斷的監(jiān)測，在很大程度上解放了人力，促進了行業(yè)的快速發(fā)展。在拖拉機作業(yè)環(huán)境實時監(jiān)測時，為了解決視頻數(shù)據(jù)存儲量較大的問題，可以借助云存儲技術(shù)。對于拖拉機的定位和環(huán)境信息采集，可以采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，在節(jié)點進行定位的同時可以采集到環(huán)境坐標(biāo)、環(huán)境溫度和濕度等作業(yè)環(huán)境信息，對于提高拖拉機作業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測效率和質(zhì)量具有重要的意義。

1　環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計和基于ZigBee拖拉機定位

系統(tǒng)的總體設(shè)計主要分為系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計和功能性設(shè)計。為了實現(xiàn)拖拉機作業(yè)環(huán)境的高精度和大數(shù)據(jù)監(jiān)測，引入了基于ZigBee的無線傳感技術(shù)和云存儲服務(wù)技術(shù)?？紤]監(jiān)測系統(tǒng)的實時性和遠程信息傳輸，系統(tǒng)總體設(shè)計的模塊主要包括視頻采集模塊、控制器模塊、通信模塊、顯示模塊、遠程控制端和供電模塊等，如圖1所示。監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計的功能和指標(biāo)主要包括4部分:首先是實時的數(shù)據(jù)采集功能，包括拖拉機在作業(yè)過程中的溫度、濕度、拖拉機作業(yè)參數(shù)及環(huán)境的實時圖像信息等；然后是實時上傳功能，可以將采集到的實時信息上傳到Web服務(wù)器；第3個功能是實時顯示功能，可以將上傳數(shù)據(jù)在Web瀏覽器實時瀏覽；最后是報警功能，當(dāng)拖拉機作業(yè)過程中產(chǎn)生故障時，或者監(jiān)測環(huán)境含有不適合作業(yè)的條件時會發(fā)出報警。監(jiān)測系統(tǒng)功能流程如圖2所示。

圖1　監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計框架

圖2　監(jiān)測系統(tǒng)功能流程

本設(shè)計的ZigBee定位算法采用的是三質(zhì)心測量法。該方法要比三邊測量法誤差更小一些，其技術(shù)依據(jù)是RSSI測距技術(shù)，原理如圖3所示。通過計算重疊區(qū)域的3個頂點坐標(biāo)A、B、C所組成的質(zhì)心坐標(biāo)，確定移動節(jié)點的坐標(biāo)。

在定位時，參考節(jié)點是C1、C2和C3，待測移動節(jié)點是O，通過測試可以得到O到C1、C2和C3的距離分別是r1、r2和r3。以距離為半徑，以參考點為圓心，可以得到重疊區(qū)域，然后利用三質(zhì)心定位的原理，可得到待測節(jié)點O的具體位置坐標(biāo)。

圖3　基于ZigBee和三質(zhì)心法的定位原理

2　拖拉機環(huán)境監(jiān)測視頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

為了使拖拉機環(huán)境監(jiān)測的圖像更加清晰，使用高清攝像頭作為視頻和圖像的采集裝置，但高清視頻的數(shù)據(jù)采集和處理問題較為困難，這就需要借助于大容量數(shù)據(jù)存儲和管理的系統(tǒng)，而云服務(wù)系統(tǒng)可以滿足設(shè)計需求。云存儲技術(shù)利用集群分布式存儲技術(shù)，可以使不同類型的設(shè)備協(xié)同工作，從而有效提高了數(shù)據(jù)存儲的容量和效率。

云存儲系統(tǒng)相比其他視頻和圖像采集處理系統(tǒng)具有許多明顯的優(yōu)勢，其數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù)能力強，具有安全可靠的特點，且存儲成本低、效率高。本次使用的云存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為4個層次，包括采集設(shè)備層、存儲數(shù)據(jù)層、管理數(shù)據(jù)層和應(yīng)用設(shè)備接口層。其中，采集設(shè)備層在最低端，應(yīng)用設(shè)備接口層在最頂端。

1)采集設(shè)備層。采集設(shè)備層主要將拖拉機環(huán)境監(jiān)測終端攝像頭和數(shù)據(jù)處理服務(wù)器進行連接，包括視頻圖像數(shù)據(jù)的采集、處理、編碼和解碼等一系列操作，通過云存儲和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)視頻和圖像等采集信息的實時保存。

2)存儲數(shù)據(jù)層。存儲數(shù)據(jù)層是完成數(shù)據(jù)存儲的關(guān)鍵層，該層次為視頻和圖像等數(shù)據(jù)的保存提供了硬件支持。該層次支持硬件設(shè)備的類型廣泛，可以將不同地點的存儲設(shè)備連接到一起協(xié)同工作，從而形成一個龐大的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，并對為管理數(shù)據(jù)層提供處理數(shù)據(jù)資源。

3)管理數(shù)據(jù)層。管理數(shù)據(jù)層是整個云存儲系統(tǒng)的核心，可以將數(shù)據(jù)存儲的物理層設(shè)備和邏輯層設(shè)備建立聯(lián)系，使數(shù)據(jù)管理變得模塊化，通過集成管理接口提供高效的數(shù)據(jù)處理服務(wù)。

4)應(yīng)用設(shè)備接口層。應(yīng)用設(shè)備接口層主要是對外部設(shè)備提供數(shù)據(jù)服務(wù)，可以根據(jù)用戶的需求定制各種服務(wù)，從而實現(xiàn)多用戶和群組的數(shù)據(jù)共享以及遠程終端的數(shù)據(jù)服務(wù)等，包括數(shù)據(jù)Web顯示端、視頻網(wǎng)站及遠程監(jiān)控端等。

基于這4個層次，對層次的結(jié)構(gòu)進行了拓撲，如表1所示。

表1云服務(wù)系統(tǒng)4個層次主要功能軟件拓撲

Table 1Software topology of 4 levels of main function in cloud service system

層次功能采集設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)接口API接口、各種應(yīng)用軟件存儲數(shù)據(jù)層分布式文件系統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)恢復(fù)管理數(shù)據(jù)層存儲集中管理存儲虛擬化、數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理應(yīng)用設(shè)備接口層采集攝像頭視頻數(shù)據(jù)編碼、解碼

表1中，通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的拓撲，對系統(tǒng)的應(yīng)用軟件進行了拓撲設(shè)計，軟件拓撲功能主要是基于云存儲架構(gòu)。在監(jiān)測系統(tǒng)實際運行時，根據(jù)用戶端的視頻和圖像等數(shù)據(jù)的請求，對所需請求的數(shù)據(jù)存儲地址進行查詢，然后將查詢的鏈接發(fā)動給對應(yīng)的存儲服務(wù)器；服務(wù)器開始響應(yīng)，最終為用戶提供定制的視頻需求，從而有效的提高了數(shù)據(jù)的存儲和查詢效率。

3　基于ZigBee和云服務(wù)平臺的拖拉機作業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)測試

以拖拉機實際作業(yè)環(huán)境為研究對象，建立了基于ZigBee和云存儲的監(jiān)測系統(tǒng)平臺。拖拉機作業(yè)環(huán)境如圖4所示。

圖4　拖拉機作業(yè)環(huán)境示意圖

受各種植物的影響，拖拉機的作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，因此在拖拉機作業(yè)過程中需要進行實時監(jiān)測。為此，對采用ZigBee定位方法的效果進行了測試，通過測試得到了如圖5所示的測試曲線。

圖5　實際值與測試值對比圖

圖5中：虛線表示傳統(tǒng)方法測試得到的數(shù)值，實線部分表示實際數(shù)值和采用ZigBee定位方法測得的值。通過將ZigBee定位的測試值和實際值進行對比發(fā)現(xiàn)：采用ZigBee定位方法得到的數(shù)值和實際值吻合程度較高，可以滿足高精度定位的需求。

經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試，通過ZigBee通信可以在云存儲遠程端的Web頁面上顯示返回環(huán)境監(jiān)測信號的效果圖(見圖6)，從而驗證了系統(tǒng)的可行性。對傳回的溫度數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，得到了如表2所示的結(jié)果。

對拖拉機環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)傳回的溫度信息進行了統(tǒng)計，并對其誤差進行了計算。由誤差統(tǒng)計結(jié)果可知：最大誤差僅為0.69℃，平均最大誤差僅為0.28℃，滿足環(huán)境監(jiān)測的需求。

圖6　環(huán)境監(jiān)測信息返回結(jié)果圖

測試編號實際溫度/℃最大誤差/℃平均誤差/℃120.150.520.22221.330.630.23322.150.570.25421.540.430.21520.650.690.27622.580.660.28

4　結(jié)論

在拖拉機環(huán)境實時監(jiān)測時，視頻數(shù)據(jù)的存儲量較大，為了返回拖拉機環(huán)境的實時信息，采用云存儲技術(shù)，實現(xiàn)海量環(huán)境信息數(shù)據(jù)的存儲和處理。在實際監(jiān)測時，拖拉機定位是首先要解決的問題。本次利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行了定位，并采集到了環(huán)境坐標(biāo)、環(huán)境溫度和濕度等作業(yè)環(huán)境信息。測試結(jié)果表明：采用該系統(tǒng)可以實時地傳回高清的作業(yè)環(huán)境圖像，并可以實時地傳回溫度等信息數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)的精度較高，為拖拉機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計提供了較有價值的參考。