【導讀】系統通過基于ZigBee的無線傳感器網絡對室內環境進行監控,由遠程智能監控平臺與主協調器通信接收傳感器感知數據并上傳至服務器集群的數據庫,經過云服務層處理,將監測數據和室內環境舒適度在Web應用服務系統實時顯示,并通過遠程智能監控平臺實施遠程控制終端設備。實驗證明,該系統可有效地監控室內環境,高效地處理數據,實現了"高效、節能、安全、環保"的智能家居應用。
物聯網IoT(Internet of Things)是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力和執行能力的各種信息傳感設備，通過網絡設施實施信息傳輸、協同和處理，從而實現廣域或更大范圍的人與物、物與物之間的信息交換和互換。其目的是實現物與物、物與人、所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。物聯網技術在國防、工業、城市管理、公共安全、遠程醫療、智能交通、智能家居、智能電網、環境監測和綠色農業等領域擁有廣闊的應用前景。在當前大力提倡節能減排、延緩全球氣候變暖的新形勢下，物聯網適時地提供了實現“高效、節能、安全、環保”的和諧社會的“管控營一體化”基礎和關鍵技術，因此，該技術被認為掀起了信息革命的第三次浪潮。本文在物聯網的架構上，嘗試以家居室內環境為場景，討論了相關概念，給出了應用模型，分析了數據感知、處理、舒適度監測等實用性關鍵技術，并進行了實驗，做出了探索性的結論。
1 相關研究
物聯網概念最早應該是1999年由麻省理工學院研究RFID的Auto—ID中心主任ASHTON K教授提出來的。各國政府部門對物聯網相關技術和產業進行了廣泛的調研，制訂了一系列發展計劃。
2011年7月，我國科學技術部發布了《國家“十二五”科學和技術發展規劃》，將物聯網作為新一代信息技術納入國家重點發展的戰略性新興產業，同時將物聯網列入“新一代寬帶移動無線通信網”國家科技重大專項中。但現有的研究成果主要集中在工業、交通、安防等領域，針對智能家居、廠房環境監控的室內物聯網研究較少。
近年來，云計算技術的出現，允許用戶通過互聯網隨時隨地獲取各類計算資源，如計算能力、存儲能力、應用、服務等，給物聯網發展提供了支撐；同時，人們對家居室內環境越來越關注，室內環境質量的高低直接影響到人類生活質量的高低，甚至關系著人類的生存問題。參考文獻討論了室內環境參數(溫度、相對濕度、聲環境和光環境)與室內環境舒適度的關系問題。
2 系統模型設計
在物聯網發展的初級階段，其標準體系結構一般為3層：感知層、網絡層和應用層，但物聯網產生、分析、處理和管理的數據是海量的，原始數據若要具備各種實際意義，需要可擴展的巨量計算資源予以支持。而云計算能夠提供彈性、無限可擴展、價格低廉的計算和存儲服務，滿足物聯網需求，因此本文在物聯網體系結構上加入云計算，為物聯網業務需求提供強大的計算能力和計算智能服務，構成改進的包含感知層、網絡層、云服務層和應用層4層的家居室內環境在線監控模型，如圖1所示。
感知層包括傳感器等數據采集終端設備以及數據輸入網關前的傳感器網絡，在模型中這層是基于ZigBee協議的無線傳感器網絡；網絡層主要負責網絡接入、網絡傳輸以及相應的管理與控制，這層由互聯網、遠程智能監控平臺和服務器集群的網絡接入程序組成；云服務層主要負責存儲、挖掘、分析已有數據，為應用層提供及時、可擴展、智能化的服務，保證應用層的可靠性、安全性、可擴展性，可以根據需要對海量數據提供存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基于感知數據決策和行為的基礎服務；應用層解決系統需求上的信息處理與人機交互的問題，是以家居室內環境為應用場景的Web應用服務系統，監控室內環境及終端設備，可以調節、分析和預測環境狀態。
3 系統平臺設計
3.1 無線傳感器網絡
本系統中無線傳感器網絡硬件平臺選用美國TI公司的無線通信芯片CC2530開發平臺，并使用ZigBee協議棧ZStack-CC2530-2.3.0- 1.4.0和嵌入式開發集成環境(IDE)IAR Embedded Workbench進行開發并管理無線傳感網絡應用工程。
3.1.1 網絡結構
模型中所包含的無線傳感器網絡部分采用基于ZigBee技術的星型拓撲結構，由主協調器和多個終端節點組成，終端節點只能與對應的主協調器進行通信，終端節點之間不能通信。星型拓撲結構具有網絡結構簡單、終端節點能耗較小等優勢，在電池供電情況下主協調器和終端節點可以擁有更長的工作時間。
ZigBee是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。美國TI公司的CC2530芯片集成了51單片機內核，其開發平臺具有基于2004/2006/2007/PRO協議棧的開發模板。針對CC2530芯片的ZigBee開發平臺可與IAR for MCS-51集成開發環境無縫連接，操作和連接方便。系統中主協調器負責啟動整個網絡，由USB接口直接供電；終端節點由自帶電池供電；主協調器與遠程智能監控平臺通過USB直接串口連接，并通過CC2530的射頻模塊實現與終端設備的無線通信。
3.1.2 CC2530開發平臺
TI CC2530開發平臺采用Z-Stack微操作系統進行應用程序的開發。Z-Stack是由TI公司推出的業界領先的ZigBee協議棧，支持多種平臺。Z-Stack包含了網狀網絡拓撲的幾近于全功能的協議棧，采用操作系統的思想來構建，采用事件輪循機制，當各層初始化之后，系統進入低功耗模式；當事件發生時，喚醒系統，開始進入中斷處理事件，結束后繼續進入低功耗模式。如果同時有幾個事件發生，則判斷優先級，逐次處理事件。這種軟件構架可以極大地降低系統功耗。整個Z-Stack的主要工作流程大致分為系統啟動、驅動初始化、OSAL初始化和啟動、進入任務輪循幾個階段。
在本系統中，由于傳感節點少、傳輸距離短，選擇星型網絡的拓撲結構，協調器采用廣播的方式發送信息，而終端節點采用單播發送方式數據。CC2530平臺支持避免沖突的載波偵聽多路存取(CSMA/CA)功能，在無線傳感器網絡啟動后，主協調器處于監聽狀態，終端節點進行數據的發送，如果偵聽信道狀態空閑則傳送數據包，否則等待并延時，直到信道狀態空閑數據包發送成功為止。無線傳感器網絡中終端節點內部程序流程如圖2所示。
3.2 遠程智能監控平臺
本系統中實現與無線傳感器網絡中主協調器進行通信的遠程智能監控平臺是Web系統。連接程序在MyEclipse2013環境下用Java編寫，RXTXcomm.jar函數庫支持串口通信。頁面程序通過JSP實現，可以對波特率及COM端口等進行設置調整，并可以進行遠程監控。該平臺實現了對無線傳感器網絡的數據接收，并按照設置好的數據格式進行數據采集，通過Java編寫的存儲程序存入遠程服務器的數據庫。接口程序流程如圖3所示。
本系統通過一個結構體對各個節點的數據包進行規范，以便于數據采集。數據包格式如表1所示。數據頭使用的是“&&”字符，數據尾采用1個“&”。
例如路由節點采集溫度時使用如下填充數據的方式，如表2所示。設備名稱temp表示設備是溫度設備；節點類型ROU表示節點是路由節點；后面緊跟路由器的網絡地址；傳感器數據值字段采集的是含1位小數的4位溫度值。
3.3 Web應用服務系統
利用JSP和前端Ajax框架ExtJs，使用MySQL數據庫和Tomcat服務器，開發的Web應用服務系統可以與遠程智能監控平臺和云服務平臺進行快速整合，界面操作簡單、美觀，且能夠大大縮短系統的研發周期，降低開發成本。
該系統實現人性化監控，包括室內環境監控數據顯示、終端節點控制以及對數據通過云服務層處理進行室內環境舒適度評分，并列出所在服務系統中的排名。系統界面如圖4所示。
系統中只對溫度(T)、濕度(H)和光照(I)3個參數進行監測。Web應用服務系統中排名算法為：Ri=|Ti-T|+|Hi-H|+|Ii-I|，其中T、H、I是設定的參考值，再經過與系統中各R值進行比較得出。參數狀態及舒適度算法采用模糊理論，對應參數狀態如表3所示，熱舒適度評判如表4所示，光舒適度評判如表5所示，室內環境舒適度評判如表6所示。
4 實驗
本文采用一個室內環境作為測試場景。基于無線傳感網絡，結合Web技術設計出能夠通過互聯網對家居室內環境進行遠程監控的物聯網系統。測試整體監控系統平臺如圖5所示。圖中，1為Web應用服務系統，2為遠程智能監控平臺，3為無線傳感器網絡。主協調器與遠程智能監控平臺通過USB串口相連接，溫濕度和光設備終端節點與監控平臺相距20 m且放置在不同的房間，啟動Web應用服務系統，監控室內環境終端節點，可以查看遠程智能監控平臺和室內環境舒適度監測系統。
實驗開始后，點擊室內環境遠程智能監控平臺上按鈕，進入該平臺查看監測到的溫度、濕度和光照強度值，如果對光照強度不滿意，可以點擊燈光控制按鈕進行調控，同時可以點擊室內環境舒適度監測系統按鈕，進入該平臺查看溫度狀態、濕度狀態、光舒適度、室內環境舒適度和排名情況。
試驗證明無線傳感器網絡工作正常，遠程智能監控平臺在無線傳感網絡和Web應用服務系統之間進行通信，對室內環境參數進行實時監測，并根據實際情況對終端節點進行控制。
本文基于無線傳感器網絡，結合云計算和Web 2.0技術設計出能通過互聯網對室內環境進行遠程監控的物聯網系統。實驗證明，通過Web應用服務系統可對無線傳感器網絡的監測數據進行實時顯示，并能夠根據舒適度監測結果對家居室內環境相應設備進行遠程控制，從而完成對室內環境的自動調節。該系統實現了設計目的，為下一步實現多平臺實時監控打下了堅實基礎，是物聯網架構在家居室內環境監控領域的一次成功嘗試。
下一步的研究方向是：(1)用Boa構建嵌入式Web服務器作為家庭服務器，采用嵌入式Web服務監控平臺作為遠程智能監控平臺，由TQ2440開發板以及Boa服務器組成，UART0編程實現串口通信，負責與主協調器的連接；(2)構建基于Hadoop的云服務平臺，進行海量數據分析和提供人性化服務；(3)室內環境監測參數的具體化及其舒適度評判模型的詳細設計和實現。
本文來源于電子技術應用。
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