基于6LoWPAN的校園儀器設備監(jiān)控系統(tǒng)

朱海穎，馮興杰，趙俊松，高江濤

（中國民航大學信息網(wǎng)絡中心，天津 300300）

目前，各高校所使用的儀器設備較多，其中大多數(shù)儀器設備分散在二級學院/部門，缺乏統(tǒng)一的自動化管理，很難及時、科學地掌控設備運行環(huán)境的安全情況和設備的使用情況，設備綜合利用率低。因此，對校園儀器設備進行科學、規(guī)范的監(jiān)控和管理，成為高校儀器設備管理的內(nèi)在需求[1-3]。

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN，wireless sensor network）[4]由部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的大量低成本、低功耗的微型傳感器節(jié)點組成，節(jié)點之間能夠通過無線通信技術形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、部署迅捷、自組織、易維護、測量精度高、成本較低等優(yōu)勢。在眾多領域得到了廣泛應用，如工業(yè)設備運行狀態(tài)監(jiān)測[5]、智能家居監(jiān)測[6]、建筑電氣設備能耗監(jiān)測[7]、農(nóng)作物生長監(jiān)測[8]等。而目前無線傳感器自組網(wǎng)最常用的兩個協(xié)議是ZigBee和6LoWPAN（IPv6 over low power wireless personal area network）。

6LoWPAN是由IETF 6LoWPAN工作組定義的新型WSN，基于IEEE 802.15.4標準，使用16位段地址實現(xiàn)IPv6通信，旨在為嵌入式設備（如無線傳感器節(jié)點）提供IPv6連接[9-10]。6LoWPAN適應性強、易開發(fā)、擁有海量IPv6地址、易接入IPv4/IPv6網(wǎng)絡、可與其他802.15.4設備互通，用戶可通過訪問傳感器節(jié)點配置的IPv6地址來控制傳感器節(jié)點。此外，6LoWPAN鏈路的路由選址不需要額外的6LoWPAN頭信息，較ZigBee協(xié)議增加了更多的負載數(shù)據(jù)空間，目前該協(xié)議已在開源系統(tǒng)Contiki和Tinyos中得到應用[11]。

針對校園儀器設備管理中設備數(shù)量眾多、地點分散、管理手段落后、利用效率低的現(xiàn)狀，設計并實現(xiàn)了基于6LoPWAN技術的校園儀器設備監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在大量儀器設備監(jiān)控區(qū)域部署無線傳感器節(jié)點，實現(xiàn)對校園儀器設備長時間、持續(xù)性的監(jiān)控，并通過6LoWPAN邊緣路由器將采集信息傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)庫服務器進行數(shù)據(jù)信息處理和分析。同時提出在傳感器節(jié)點采集設備運行的電流數(shù)據(jù)并動態(tài)判別設備運行狀態(tài)的方法，遠程終端用戶通過Web瀏覽器訪問服務器端可實時查看設備運行狀態(tài)、運行環(huán)境、設備使用率和使用時間的分布情況，從而實現(xiàn)對設備的遠程控制。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設計

1.1 系統(tǒng)功能需求

1）實現(xiàn)儀器設備信息的感知、采樣及傳輸 遠程終端用戶可通過Web瀏覽器實時獲取設備運行環(huán)境信息及設備運行狀態(tài)信息，并可通過歷史信息查詢、統(tǒng)計、分析設備的情況。

2）確定儀器設備的運行狀態(tài)、運行時長等信息 通過傳感器節(jié)點采集的電流信息能判別儀器設備所處的運行狀態(tài)，以進一步為設備的使用效率、節(jié)能、購置等提供輔助決策。

3）大規(guī)模應用 隨著高等教育事業(yè)的發(fā)展，校園儀器設備會更多且分散在各二級學院/部門，需大量傳感器采集節(jié)點且能隨新購置設備而隨時添加，同時要求每個采集節(jié)點的地址唯一，以保證數(shù)據(jù)的獨立性。

1.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設計

針對上述儀器設備監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，設計基于6LoPWAN技術的校園儀器設備監(jiān)控系統(tǒng)[12-15]。其主要由6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡、6LoWPAN邊緣路由器、傳輸網(wǎng)絡（校園有線網(wǎng)絡）、數(shù)據(jù)庫服務器和遠程終端用戶構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)的主要技術及相關功能模塊如下。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

1）系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)

采用基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)絡。6LoWPAN協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過增加適配層來實現(xiàn)IPv6協(xié)議與IEEE802.15.4的融合，從而能夠在無線傳感器節(jié)點上傳輸IPv6數(shù)據(jù)包，使其滿足擁有大量節(jié)點且隨時有設備入網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)需求。

圖2 6LoWPAN協(xié)議棧Fig.2 6LoWPAN protocol stack

2）6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡

由6LoWPAN無線傳感器節(jié)點、溫濕度傳感器、光照傳感器、電流傳感器等組成，共同負責采集儀器設備的相關數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)按照要求發(fā)送給6LoWPAN邊緣路由器。

3）6LoWPAN邊緣路由器

用于實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與傳輸網(wǎng)絡（校園有線網(wǎng)）的連接，實現(xiàn)協(xié)議棧的精簡及數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)。6LoWPAN邊緣路由器從有線網(wǎng)絡接口接收監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫服務器發(fā)來的數(shù)據(jù)包，并通過處理器對其進行精簡后，將精簡的數(shù)據(jù)包通過無線收發(fā)器發(fā)送到無線傳感器網(wǎng)絡。同時，6LoWPAN邊緣路由器從無線接收器接收到傳感器發(fā)送來的精簡數(shù)據(jù)包后，處理器將其還原為完整的數(shù)據(jù)包，通過有線網(wǎng)絡接口將完整的數(shù)據(jù)包發(fā)送到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫服務器。

4）數(shù)據(jù)庫服務器端的B/S架構(gòu)

負責接收邊緣路由器發(fā)來的傳感器采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行存儲、分析，同時負責接收硬件控制指令并向下層傳遞。遠程終端用戶通過Web瀏覽器登錄數(shù)據(jù)庫服務器查詢實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并可對傳感器終端進行控制。對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，包括存儲采集到的溫濕度、電流數(shù)據(jù)等信息，并對數(shù)據(jù)進行解析、圖形顯示、預警，通過儀器設備電流信息判別設備的當前運行狀態(tài)，提供歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計從而輔助決策。

2 系統(tǒng)設計及關鍵技術實現(xiàn)

2.1 節(jié)點硬件設計

6LoWPAN邊緣路由器是6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡的核心，對處理能力要求比較高。系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的CC2538芯片，該芯片以ARM Cortec-M3為內(nèi)核，自帶512 KB的可擴展FLASH和32 KB的RAM，具有2.4 Hz IEEE 802.15.4 RF射頻收發(fā)器，內(nèi)部資源豐富、性能強大，能很好地支持Contiki3.x版本，可完全滿足儀器設備監(jiān)控信息參數(shù)的采集、傳輸和存儲需求；同時具有豐富的外部接口，可滿足儀器設備監(jiān)控各類傳感器的接入，可擴展性強。以太網(wǎng)模塊采用ENC28J60芯片，上聯(lián)數(shù)據(jù)庫服務器監(jiān)控中心。邊緣路由器的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 6LoWPAN邊緣路由器硬件架構(gòu)圖Fig.3 Hardware architecture of 6LoWPAN edge router

為了便于后續(xù)功能的擴展及各種需求的滿足，系統(tǒng)中的6LoWPAN傳感器采集節(jié)點也采用CC2538芯片，基本與6LoWPAN邊緣路由器相同，僅沒有ENC28J60以太網(wǎng)模塊，主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊構(gòu)成，其硬件邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2 節(jié)點軟件設計

圖4 6LoWPAN傳感器采集節(jié)點邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Logical structure of 6LoWPAN sensor acquisition node

6LoWPAN邊緣路由器基于Contiki嵌入式操作系統(tǒng)來實現(xiàn)，該路由器通過RPL路由協(xié)議模塊構(gòu)造6LoWPAN網(wǎng)絡，并采用IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議向所有6LoWPAN節(jié)點發(fā)送路由通告，令所有6LoWPAN節(jié)點獲得6LoWPAN網(wǎng)絡前綴。當邊緣路由器的無線射頻模塊收到6LoWPAN網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，則對數(shù)據(jù)包進行還原操作，并按照路由信息，通過ENC28J60以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)庫服務器監(jiān)控端。當邊緣路由器通過ENC-28J60以太網(wǎng)收到監(jiān)控端的控制信息數(shù)據(jù)包，則對數(shù)據(jù)包進行精簡操作，并按照路由信息，通過無線射頻模塊轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳目的節(jié)點，實現(xiàn)6LoWPAN傳感器網(wǎng)絡與校園儀器設備數(shù)據(jù)庫服務器監(jiān)控端網(wǎng)絡的互聯(lián)。6LoWPAN邊緣路由器軟件框架設計，如圖5所示。

圖5 6LoWPAN邊緣路由器軟件框架圖Fig.5 Software architecture of 6LoWPAN edge router

在溫濕度信息監(jiān)測機制中，傳感器采集節(jié)點CC2538通過外接溫濕度傳感器，實現(xiàn)溫濕度信息的實時采集。當遠程用戶終端通過Web查詢模塊發(fā)送出溫濕度信息查詢請求時，傳感器采集節(jié)點將溫濕度信息通過邊緣路由傳感器的有線網(wǎng)絡接口將數(shù)據(jù)傳輸至Web信息查詢模塊。同時終端用戶服務器通過預先設定的程序判斷實時采集的溫濕度信息是否超出預設范圍，如果超出預設范圍則實時預警。

在設備運行狀態(tài)監(jiān)測機制中，電流傳感器及AD/DC轉(zhuǎn)換電路檢測儀器設備的實時工作電流，并通過6LoWPAN邊緣路由器將采集信息上傳至數(shù)據(jù)庫服務器，通過與預設程序?qū)Ρ入娏魉诘倪\行狀態(tài)閾值區(qū)間，判別儀器設備所處的運行狀態(tài)。利用實時時鐘電路記錄儀器在各運行狀態(tài)下的運行時間，通過AT24C02芯片存儲信息，并最終傳輸至數(shù)據(jù)庫服務器監(jiān)控端。數(shù)據(jù)庫服務器監(jiān)控端可科學、準確地顯示設備使用的歷史統(tǒng)計信息以輔助決策。圖6為6LoWPAN邊緣路由器節(jié)點軟件設計流程。

2.3 運行狀態(tài)判別方法

系統(tǒng)通過監(jiān)測儀器設備的電流大小和變化情況，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)與預設的閾值區(qū)間進行對比，來判別設備實時運行狀態(tài)。然而，儀器設備各運行狀態(tài)的電流值會隨著設備工作年限、模塊增減、維修、電源波動、甚至開機時間長短而產(chǎn)生漂移（如需要預熱的設備等），各狀態(tài)之間的電流判別閾值區(qū)間如果差別很小，則這種漂移情況會嚴重影響判別的準確性，從而造成系統(tǒng)的不可用。因此，提出一種利用加權(quán)平均濾波法動態(tài)調(diào)整閾值區(qū)間來判別設備運行狀態(tài)的方法。該判別方法流程如圖7所示，其主要步驟如下。

圖6 6LoWPAN邊緣路由器節(jié)點軟件設計流程圖Fig.6 Software design flowchart of 6LoWPAN edge router

圖7 運行狀態(tài)判別流程圖Fig.7 Flowchart of running state judgement

1）運行狀態(tài)閾值區(qū)間的初始值設定

設儀器設備采集電流 I1，I2，…，In，算術平均值=剩余誤差 vi=Ii-I（i=1，2，…，n）。電流傳感器在各運行狀態(tài)下監(jiān)測連續(xù)采集M組電流數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)n個值，按照貝塞爾公式，即

計算 M 組數(shù)據(jù)的標準誤差 σ1，σ2，…，σM，取標準誤差最小的數(shù)據(jù)組的算術平均值I作為設備該運行狀態(tài)下閾值空間的中心值。

2）獲取當前運行狀態(tài)下的加權(quán)平均濾波電流值

設傳感器獲取設備當前運行狀態(tài)下的連續(xù)n個電流值數(shù)據(jù)分別為 I1，I2，…，In，剩余誤差為 v1，v2，…，vn，其對應的權(quán)值分別為 w1，w2，…，wn，則加權(quán)平均過濾后的電流值和權(quán)值應滿足

3）更新設備運行狀態(tài)的電流閾值區(qū)間

設接收到更新閾值區(qū)間命令前，閾值區(qū)間為（Ia，Ib+ΔI]，Ib為當前閾值區(qū)間的中心值，wa、wb為電流 Ia、Ib對應的權(quán)值,為當前更新閾值命令后的加權(quán)平均過濾電流值，調(diào)整后的閾值區(qū)間記為

4）設備運行狀態(tài)的判別

若獲取到的實時設備電流值在關機狀態(tài)閾值區(qū)間內(nèi)，則判定設備處于關機狀態(tài)；在待機狀態(tài)閾值區(qū)間內(nèi)，則判定設備處于待機狀態(tài)；若在工作狀態(tài)閾值區(qū)間內(nèi)，則判定設備處于工作狀態(tài)。

3 實驗測試

3.1 運行狀態(tài)判別法的有效性驗證

對1臺一直處于工作狀態(tài)的臺式機，每隔10 min監(jiān)測1次實際運行電流值，并設初始工作閾值區(qū)間中心值為K，監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 工作狀態(tài)電流值監(jiān)測圖Fig.8 Monitoring chart of current value in working state

從圖8可看出，電流值并沒有在一個固定值附近變化，而是隨著時間及運行程序的類別和數(shù)量的不同而不斷變化，且隨著運行時間的不斷增長，電流值趨勢向上傾斜，逐漸遠離K。因此，如果直接通過與固定閾值對比來判別運行狀態(tài)的方法不夠準確。

對1臺式機每隔10 min控制1次工作狀態(tài)并監(jiān)測其電流值，人工控制使設備處于工作狀態(tài)25次，處于待機或關機狀態(tài)25次。為了驗證運行狀態(tài)判別方法的有效性及準確率，將其與直接判別方法對比，實驗結(jié)果如表1所示。直接判別法通過每次監(jiān)測到的電流I與初始預設閾值邊界值H0對比：若I≥H0，判定設備處于工作態(tài)；若I＜H0，判定設備處于非工作態(tài)。動態(tài)判別法則根據(jù)2.3節(jié)提出的方法動態(tài)調(diào)整閾值，給出判別結(jié)果。從表1可看出：直接判別法判別錯誤6次，準確率為88%；動態(tài)判別方法判別錯誤1次，準確率為98%。

表1 不同判別方法結(jié)果對比Tab.1 Results comparison between different discriminant methods

3.2 系統(tǒng)有效性驗證

對1臺在不同工作狀態(tài)切換的臺式機，設定每隔10 min監(jiān)測1次系統(tǒng)運行狀態(tài)，監(jiān)測結(jié)果如表2所示。從表2中可看出，利用該系統(tǒng)能夠通過電流傳感器監(jiān)測電流值，并判別出設備的運行狀態(tài)。

表2 某臺式機監(jiān)測結(jié)果Tab.2 Monitoring results of one desktop

對某機房的網(wǎng)絡核心服務器監(jiān)測區(qū)域進行溫濕度監(jiān)測，系統(tǒng)設定的溫濕度測量指標如表3所示。系統(tǒng)監(jiān)測某天0：00～20：00的溫濕度監(jiān)測結(jié)果如圖9所示。實驗測試證明了系統(tǒng)溫濕度監(jiān)測的有效性，同時與人工測試結(jié)果對比基本相同，表明系統(tǒng)對運行環(huán)境的溫濕度監(jiān)測具有較好效果。

表3 溫濕度測量指標Tab.3 Measurement indices of temperature and humidity

圖9 某網(wǎng)絡核心設備區(qū)域溫濕度監(jiān)測結(jié)果Fig.9 Monitoring results of temperature and humidity in certain area of one network core equipment

4 結(jié)語

利用6LoWPAN技術設計并實現(xiàn)了基于無線傳感器網(wǎng)絡的校園儀器設備智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用6LoWPAN技術，通過電流監(jiān)測、溫濕度監(jiān)測，實時感知設備的運行狀態(tài)和運行環(huán)境，解決了大量儀器的設備監(jiān)控和管理，滿足新設備隨時可能增添的需求。通過該系統(tǒng)的投入建設不僅保障分散在各處的儀器設備環(huán)境安全，同時使得設備使用情況做到有據(jù)可查，為高校設備管理提供決策支持。該系統(tǒng)具有較高的通用性，不僅適用于高校的儀器設備管理，也能應用到其他類型的設備管理中。下一步工作將對積累的數(shù)據(jù)進行深度分析及可視化實現(xiàn)。