梁雪輝，許芬，吳潤州
?。ū狈焦I(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，北京 100144）
摘要：伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線通信、嵌入式智能設(shè)備和大數(shù)據(jù)在智能家居上的結(jié)合正在成為一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。針對(duì)傳統(tǒng)C/S(Client/Server)架構(gòu)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)困難、系統(tǒng)安裝復(fù)雜、系統(tǒng)平臺(tái)要求較高、后期維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，提出了一種基于B/S（Browser/Server）架構(gòu)的家居環(huán)境無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方案，設(shè)計(jì)了一套用于多個(gè)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并通過ZigBee低功耗局域網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行無線傳輸?shù)倪h(yuǎn)程家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。用戶可以從移動(dòng)端或PC端通過網(wǎng)頁直接查看多個(gè)房間內(nèi)的溫度、濕度、PM2.5濃度、甲醛濃度、CO濃度等空氣狀態(tài)信息。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)功耗低、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；B/S架構(gòu)；智能家居；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)
中圖分類號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.029
引用格式：梁雪輝，許芬，吳潤州.基于B/S架構(gòu)的家居環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（8）：92-94.
0引言
“互聯(lián)網(wǎng)+”和“工業(yè)4.0”概念的提出，大大促進(jìn)了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家居、物流、服務(wù)、環(huán)保等各個(gè)行業(yè)與網(wǎng)絡(luò)的融合。人、物、環(huán)境之間的互聯(lián)互通已成為工業(yè)4.0時(shí)代的一個(gè)特征，并正在逐漸延伸成為人類社會(huì)活動(dòng)的基石。作為其中一環(huán)，環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)、采集和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)布就顯得愈加重要。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地提供特定時(shí)間、特定位置的環(huán)境參數(shù)信息是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的重要一環(huán)，這些信息的提供將對(duì)環(huán)境管理、環(huán)保監(jiān)測(cè)、污染源控制、公共活動(dòng)、室內(nèi)安全、交通管理、公共安全等很多領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。隨著傳感器制造成本的下降和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，越來多的行業(yè)開始提供實(shí)時(shí)信息服務(wù)［1］。
隨著遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)大,工業(yè)需求和商業(yè)需求的不斷增加，促進(jìn)了國內(nèi)外學(xué)者在這個(gè)領(lǐng)域不斷進(jìn)行探索和研究。
國內(nèi)，上海電力學(xué)院的楊俊杰博士研究了無人值守變電站周界光電一體化安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)［2］，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)樊志平博士研究了柑橘園土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［3］，武漢科技大學(xué)余湧研究了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［4］，國礦業(yè)大學(xué)的寧芳副教授研究了基于UCD的智能家居控制系統(tǒng)界面交互設(shè)計(jì)［5］，重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院胡向東研究了面向智能家居的輕量型互認(rèn)證協(xié)議［6］等。
國外，密西根大學(xué)FERNANDES E等人對(duì)新興的智能家居平臺(tái)的安全進(jìn)行了深入的分析，特別是針對(duì)三星的SmartThings設(shè)備提出了一些解決方案［7］。
1系統(tǒng)總體方案
目前智能家居市場(chǎng)沒有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議規(guī)范，而且對(duì)于大眾用戶來說智能監(jiān)測(cè)不是強(qiáng)需求。本文設(shè)計(jì)的模塊主要從低功耗和低成本兩個(gè)方面著手，面向一般普通用戶。低功耗采用的措施是利用TI的超低功耗MSP430F5438A處理器和CC2530模塊；低成本主要是在傳感器選型上采用市場(chǎng)上常見的經(jīng)過市場(chǎng)檢驗(yàn)過的一些性價(jià)比比較高的傳感器。由于市場(chǎng)上沒有統(tǒng)一的接口定義，本模塊采用最常用的無線串口協(xié)議，利于與其他模塊之間進(jìn)行通信。系統(tǒng)主要采用多對(duì)一設(shè)計(jì)模式，“多”指的是可以部署多個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，“一”指的是只有一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)［8］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)能夠?qū)Ξ?dāng)前的環(huán)境溫度、濕度、空氣中顆粒物濃度，一氧化碳濃度和甲醛濃度信息實(shí)時(shí)采集和將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn)，同時(shí)在檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上設(shè)有超標(biāo)報(bào)警裝置，一旦超過預(yù)設(shè)值模塊就立即報(bào)警。系統(tǒng)的管理節(jié)點(diǎn)主要用來對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫和Web客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這時(shí)用戶就可以通過網(wǎng)頁查看到數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是使用的硬件資源較少，電路工作穩(wěn)定，功耗較低，并且便于攜帶和安裝。
2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
硬件系統(tǒng)以超低功耗單片機(jī)MSP430F5438A作為處理器為核心，外圍電路由溫濕度采集模塊（DHT11）、顯示模塊(12864)、空氣質(zhì)量采集模塊(GP2Y1051)、ZigBee無線傳輸模塊(CC2530)、一氧化碳檢測(cè)模塊（MQ7）、甲醛檢測(cè)模塊(MQ138)和報(bào)警電路組成。單片機(jī)對(duì)采集到的多路傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)圖2檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)行去噪、轉(zhuǎn)換等簡(jiǎn)單處理后，通過ZigBee無線傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn)（也叫網(wǎng)關(guān)）。管理節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到騰訊云公網(wǎng)服務(wù)器的MySQL數(shù)據(jù)庫。具體的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.1主控芯片
主控芯片選用TI公司的MSP430系列超低功耗微控制器MSP430F5438A，其主要典型特性有：(1）低電源電壓范圍:3.6 V到低至1.8 V;(2）超低功耗：分為工作模式（AM）、待機(jī)模式(LPM3)、關(guān)閉模式（LPM4）、關(guān)斷模式（LPM4.5），不同的工作模式，會(huì)對(duì)應(yīng)不同的工作電壓和電流，便于進(jìn)行低功耗處理。
2.2無線傳輸模塊
采用ZigBee低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，多節(jié)點(diǎn)廣播模式進(jìn)行無線串口數(shù)據(jù)的收發(fā)［5］。
為了保證數(shù)據(jù)傳輸過程中通信更穩(wěn)定，故將波特率設(shè)置為2 400 b/s。只有當(dāng)采集數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)CC2530沒有進(jìn)行接收數(shù)據(jù)時(shí)，為了節(jié)省能源，CC2530將處于休眠狀態(tài)；當(dāng)采集數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，CC2530被喚醒，單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后在檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，并通過串口發(fā)送給管理節(jié)點(diǎn)，之后CC2530重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次被喚醒時(shí)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。
2.3系統(tǒng)主要模塊介紹
溫濕度采集模塊采用的是DTH11數(shù)字傳感器，已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，有極高的可靠性和穩(wěn)定性，溫度測(cè)量范圍為0～50℃，濕度測(cè)量范圍為20%RH~90%RH。
空氣質(zhì)量采集模塊采用夏普的GP2Y1051傳感器，夏普GP2Y1051是GP2Y1050的升級(jí)版本，升級(jí)版的PM2.5傳感器取消了之前的模擬輸出方式，并且將內(nèi)部算法進(jìn)行了微調(diào)集成在傳感器的控制芯片內(nèi)，使用串口進(jìn)行輸出，這樣將會(huì)更加穩(wěn)定，只需要3根線即可讀取PM2.5的電壓值。
一氧化碳模塊采用MQ-7傳感器，它的特點(diǎn)是對(duì)一氧化碳的靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、使用壽命長、電信號(hào)輸出大，探測(cè)范圍為0.01‰ ppm～1‰ ppm。
甲醛模塊采用MQ-138傳感器，對(duì)醛、醇、酮、芳族化合物具有很高的靈敏度；模擬量輸出隨濃度增加而增加，濃度越高電壓越高；探測(cè)范圍：甲醛 1～10 ppm。
3軟件設(shè)計(jì)
3.1數(shù)據(jù)采集軟件
軟件主要分為兩部分：一部分是后端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集程序和管理節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理程序，另一部分是前端Web頁面顯示程序。兩者之間通過一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互傳輸，目前實(shí)驗(yàn)階段采用個(gè)人計(jì)算機(jī)完成管理節(jié)點(diǎn)功能。
3.1.1后端檢測(cè)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
后端程序主要分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)的采集、顯示和發(fā)送。圖3為主程序流程圖。
3.1.2前端WEB頁面顯示程序設(shè)計(jì)
圖4為前端頁面顯示軟件設(shè)計(jì)框架圖，系統(tǒng)包括瀏覽器端和服務(wù)端兩大部分組成。瀏覽器端用于用戶隨時(shí)隨地查詢到實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；服務(wù)器端將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并提供給Web頁面進(jìn)行顯示。
實(shí)時(shí)顯示主要運(yùn)用的是AJAX技術(shù)，是因?yàn)镠TML5的Web Socket技術(shù)剛在市場(chǎng)上使用［9］。AJAX是使用客戶端腳本與Web服務(wù)器交換數(shù)據(jù)的應(yīng)用開發(fā)方法［10］。配合使用的JQuery是一個(gè)快速、簡(jiǎn)潔、輕量級(jí)的JavaScript庫，它將所有的AJAX操作封裝到一個(gè)函數(shù)中［11］。
3.2無線通信端軟件設(shè)計(jì)
利用本地計(jì)算機(jī)代替網(wǎng)關(guān)功能，在本地計(jì)算機(jī)上搭建Python的IDE編譯環(huán)境，利用PySerial包和串口建立連接，之后將從串口接收到的字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)組的形式，并分析判斷數(shù)據(jù)是否是想要的數(shù)據(jù)，利用while循環(huán)將接收到的數(shù)據(jù)更新到遠(yuǎn)程服務(wù)器中已經(jīng)建立的MySQL數(shù)據(jù)庫表中。
遠(yuǎn)程服務(wù)器搭建了Apache Web服務(wù)器，開放MySQL數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程接口，同時(shí)安裝PHP的IDE環(huán)境，利用PHP和HTML相互嵌套的方式編寫從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)的程序，使用HighCharts插件將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地顯示在Web頁面上。
3.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)
MySQL數(shù)據(jù)庫包含:檢測(cè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)（Number）、采集數(shù)據(jù)信息（Temperature，Humidity，PM2.5，F(xiàn)ormaldehyde, CO）、檢測(cè)節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)（Coordinate）和檢測(cè)時(shí)間（Time）。具體設(shè)計(jì)如表1所示。
3.4整體軟件流程圖
整體軟件設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分:數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的讀取、Web頁面顯示。其中數(shù)據(jù)的讀取和Web界面的顯示是被調(diào)用和調(diào)用的關(guān)系。具體流程如圖5所示。
4實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行結(jié)果
系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境如下。
服務(wù)器端：Python2.7.10+MySQL 5.6.17+PHP5.5.12+Apache2.4.9,運(yùn)行環(huán)境:Ubuntu server 14.04.1 LTS 64位。
開發(fā)工具：PyCharm，Notepad++。
服務(wù)器是在騰訊云上面申請(qǐng)的云服務(wù)器，CUP為1核，內(nèi)存為1 GB,云硬盤為8 GB，公網(wǎng)帶寬為1 Mb/s。
頁面顯示實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，頁面中的數(shù)據(jù)會(huì)隨著讀入的串口數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)改變，這樣串口輸出的數(shù)據(jù)和網(wǎng)頁顯示的數(shù)據(jù)一致，達(dá)到預(yù)期的實(shí)時(shí)顯示的效果。
公網(wǎng)IP地址是:115.159.100.208。
5結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的家居環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)可以準(zhǔn)確有效地監(jiān)測(cè)家居環(huán)境下的各種空氣質(zhì)量信息，并實(shí)時(shí)顯示采集到的數(shù)據(jù)，為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)提供了方便快捷的數(shù)據(jù)流服務(wù)。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)顯示方面具有良好的擴(kuò)展性，可以添加更多的傳感器，也可以選擇顯示更多的信息，同時(shí)低成本和低功耗是本設(shè)計(jì)最大的亮點(diǎn)。
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