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)合正在成為一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。針對傳統(tǒng)C/S(Client/Server)架構(gòu)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測困難、系統(tǒng)安裝復(fù)雜、系統(tǒng)平臺要求較高、后期維護(hù)成本高等缺點，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)測方案，設(shè)計了一套用于多個環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測并通過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)測系統(tǒng)。用戶可以從移動端或PC端通過網(wǎng)頁直接查看多個房間內(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)計功耗低、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、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
中圖分類號：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(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時代的一個特征，并正在逐漸延伸成為人類社會活動的基石。作為其中一環(huán)，環(huán)境信息的監(jiān)測、采集和網(wǎng)絡(luò)實時發(fā)布就顯得愈加重要。實時、準(zhǔn)確地提供特定時間、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環(huán)境管理、環(huán)保監(jiān)測、污染源控制、公共活動、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)開始提供實時信息服務(wù)［1］。
隨著遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)用場景的不斷擴(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［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)計與實現(xiàn)［3］，武漢科技大學(xué)余湧研究了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控報警系統(tǒng)的設(shè)計［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［5］，重慶郵電大學(xué)自動化學(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等人對新興的智能家居平臺的安全進(jìn)行了深入的分析，特別是針對三星的SmartThings設(shè)備提出了一些解決方案［7］。
1系統(tǒng)總體方案
目前智能家居市場沒有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議規(guī)范，而且對于大眾用戶來說智能監(jiān)測不是強(qiáng)需求。本文設(shè)計的模塊主要從低功耗和低成本兩個方面著手，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上常見的經(jīng)過市場檢驗過的一些性價比比較高的傳感器。由于市場上沒有統(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)主要采用多對一設(shè)計模式，“多”指的是可以部署多個檢測節(jié)點，“一”指的是只有一個管理節(jié)點［8］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)的檢測節(jié)點能夠?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時采集和將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾砉?jié)點，同時在檢測節(jié)點上設(shè)有超標(biāo)報警裝置，一旦超過預(yù)設(shè)值模塊就立即報警。系統(tǒng)的管理節(jié)點主要用來對采集數(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
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)、一氧化碳檢測模塊（MQ7）、甲醛檢測模塊(MQ138)和報警電路組成。單片機(jī)對采集到的多路傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)圖2檢測節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)行去噪、轉(zhuǎn)換等簡單處理后，通過ZigBee無線傳輸?shù)焦芾砉?jié)點（也叫網(wǎng)關(guān)）。管理節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到騰訊云公網(wǎng)服務(wù)器的MySQL數(shù)據(jù)庫。具體的檢測節(jié)點結(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，會對應(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，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，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，CC2530被喚醒，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后在檢測節(jié)點上進(jìn)行存儲和顯示，并通過串口發(fā)送給管理節(jié)點，之后CC2530重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次被喚醒時繼續(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)字信號輸出，有極高的可靠性和穩(wěn)定性，溫度測量范圍為0～50℃，濕度測量范圍為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的升級版本，升級版的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，它的特點是對一氧化碳的靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、使用壽命長、電信號輸出大，探測范圍為0.01‰ ppm～1‰ ppm。
甲醛模塊采用MQ-138傳感器，對醛、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；探測范圍：甲醛 1～10 ppm。
3軟件設(shè)計
3.1數(shù)據(jù)采集軟件
軟件主要分為兩部分：一部分是后端檢測節(jié)點的數(shù)據(jù)采集程序和管理節(jié)點的數(shù)據(jù)處理程序，另一部分是前端Web頁面顯示程序。兩者之間通過一個管理節(jié)點來進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互傳輸，目前實驗階段采用個人計算機(jī)完成管理節(jié)點功能。
3.1.1后端檢測節(jié)點程序設(shè)計
后端程序主要分為三個部分：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
圖4為前端頁面顯示軟件設(shè)計框架圖，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隨地查詢到實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)；服務(wù)器端將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并提供給Web頁面進(jìn)行顯示。
實時顯示主要運(yùn)用的是AJAX技術(shù)，是因為HTML5的Web Socket技術(shù)剛在市場上使用［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是一個快速、簡潔、輕量級的JavaScript庫，它將所有的AJAX操作封裝到一個函數(shù)中［11］。
3.2無線通信端軟件設(shè)計
利用本地計算機(jī)代替網(wǎng)關(guān)功能，在本地計算機(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)動態(tài)地顯示在Web頁面上。
3.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計
MySQL數(shù)據(jù)庫包含:檢測節(jié)點編號（Number）、采集數(shù)據(jù)信息（Temperature，Humidity，PM2.5，F(xiàn)ormaldehyde, CO）、檢測節(jié)點位置坐標(biāo)（Coordinate）和檢測時間（Time）。具體設(shè)計如表1所示。
3.4整體軟件流程圖
整體軟件設(shè)計主要分為三個部分:數(shù)據(jù)的接收與存儲、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實驗和運(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。
頁面顯示實時采集數(shù)據(jù)，頁面中的數(shù)據(jù)會隨著讀入的串口數(shù)據(jù)實時改變，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)期的實時顯示的效果。
公網(wǎng)IP地址是:115.159.100.208。
5結(jié)論
本文設(shè)計的家居環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和實時顯示。系統(tǒng)可以準(zhǔn)確有效地監(jiān)測家居環(huán)境下的各種空氣質(zhì)量信息，并實時顯示采集到的數(shù)據(jù)，為遠(yuǎn)程監(jiān)測提供了方便快捷的數(shù)據(jù)流服務(wù)。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集和實時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，同時低成本和低功耗是本設(shè)計最大的亮點。
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