物聯(lián)網(wǎng)IoT(Internet of Things)是指在物理世界的實(shí)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(guò)網(wǎng)絡(luò )設施實(shí)施信息傳輸、協(xié)同和處理，從而實(shí)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(shí)現物與物、物與人、所有的物品與網(wǎng)絡(luò )的連接，方便識別、管理和控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國防、工業(yè)、城市管理、公共安全、遠程醫療、智能交通、智能家居、智能電網(wǎng)、環(huán)境監測和綠色農業(yè)等領(lǐng)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(lián)網(wǎng)適時(shí)地提供了實(shí)現“高效、節能、安全、環(huán)保”的和諧社會(huì )的“管控營(yíng)一體化”基礎和關(guān)鍵技術(shù)，因此，該技術(shù)被認為掀起了信息革命的第三次浪潮。本文在物聯(lián)網(wǎng)的架構上，嘗試以家居室內環(huán)境為場(chǎng)景，討論了相關(guān)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(shí)用性關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行了實(shí)驗，做出了探索性的結論。

 

 

物聯(lián)網(wǎng)概念最早應該是1999年由麻省理工學(xué)院研究RFID的Auto—ID中心主任ASHTON K教授提出來(lái)的。各國政府部門(mén)對物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了廣泛的調研，制訂了一系列發(fā)展計劃。

 

2011年7月，我國科學(xué)技術(shù)部發(fā)布了《國家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規劃》，將物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)納入國家重點(diǎn)發(fā)展的戰略性新興產(chǎn)業(yè)，同時(shí)將物聯(lián)網(wǎng)列入“新一代寬帶移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)”國家科技重大專(zhuān)項中。但現有的研究成果主要集中在工業(yè)、交通、安防等領(lǐng)域，針對智能家居、廠(chǎng)房環(huán)境監控的室內物聯(lián)網(wǎng)研究較少。

 

近年來(lái)，云計算技術(shù)的出現，允許用戶(hù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地獲取各類(lèi)計算資源，如計算能力、存儲能力、應用、服務(wù)等，給物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供了支撐；同時(shí)，人們對家居室內環(huán)境越來(lái)越關(guān)注，室內環(huán)境質(zhì)量的高低直接影響到人類(lèi)生活質(zhì)量的高低，甚至關(guān)系著(zhù)人類(lèi)的生存問(wèn)題。參考文獻討論了室內環(huán)境參數(溫度、相對濕度、聲環(huán)境和光環(huán)境)與室內環(huán)境舒適度的關(guān)系問(wèn)題。

 

 

在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的初級階段，其標準體系結構一般為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層，但物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)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(shí)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(wú)限可擴展、價(jià)格低廉的計算和存儲服務(wù)，滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)需求，因此本文在物聯(lián)網(wǎng)體系結構上加入云計算，為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求提供強大的計算能力和計算智能服務(wù)，構成改進(jìn)的包含感知層、網(wǎng)絡(luò )層、云服務(wù)層和應用層4層的家居室內環(huán)境在線(xiàn)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(wǎng)關(guān)前的傳感器網(wǎng)絡(luò )，在模型中這層是基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；網(wǎng)絡(luò )層主要負責網(wǎng)絡(luò )接入、網(wǎng)絡(luò )傳輸以及相應的管理與控制，這層由互聯(lián)網(wǎng)、遠程智能監控平臺和服務(wù)器集群的網(wǎng)絡(luò )接入程序組成；云服務(wù)層主要負責存儲、挖掘、分析已有數據，為應用層提供及時(shí)、可擴展、智能化的服務(wù)，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(xún)、分析、挖掘、理解以及基于感知數據決策和行為的基礎服務(wù)；應用層解決系統需求上的信息處理與人機交互的問(wèn)題，是以家居室內環(huán)境為應用場(chǎng)景的Web應用服務(wù)系統，監控室內環(huán)境及終端設備，可以調節、分析和預測環(huán)境狀態(tài)。

 

 

本系統中無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件平臺選用美國TI公司的無(wú)線(xiàn)通信芯片CC2530開(kāi)發(fā)平臺，并使用ZigBee協(xié)議棧ZStack-CC2530-2.3.0- 1.4.0和嵌入式開(kāi)發(fā)集成環(huán)境(IDE)IAR Embedded Workbench進(jìn)行開(kāi)發(fā)并管理無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )應用工程。

 

 

模型中所包含的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )部分采用基于ZigBee技術(shù)的星型拓撲結構，由主協(xié)調器和多個(gè)終端節點(diǎn)組成，終端節點(diǎn)只能與對應的主協(xié)調器進(jìn)行通信，終端節點(diǎn)之間不能通信。星型拓撲結構具有網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單、終端節點(diǎn)能耗較小等優(yōu)勢，在電池供電情況下主協(xié)調器和終端節點(diǎn)可以擁有更長(cháng)的工作時(shí)間。

 

ZigBee是基于IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)標準研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準，其特點(diǎn)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(kāi)發(fā)平臺具有基于2004/2006/2007/PRO協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)模板。針對CC2530芯片的ZigBee開(kāi)發(fā)平臺可與IAR for MCS-51集成開(kāi)發(fā)環(huán)境無(wú)縫連接，操作和連接方便。系統中主協(xié)調器負責啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )，由USB接口直接供電；終端節點(diǎn)由自帶電池供電；主協(xié)調器與遠程智能監控平臺通過(guò)USB直接串口連接，并通過(guò)CC2530的射頻模塊實(shí)現與終端設備的無(wú)線(xiàn)通信。

 

 

TI CC2530開(kāi)發(fā)平臺采用Z-Stack微操作系統進(jìn)行應用程序的開(kāi)發(fā)。Z-Stack是由TI公司推出的業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧，支持多種平臺。Z-Stack包含了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲的幾近于全功能的協(xié)議棧，采用操作系統的思想來(lái)構建，采用事件輪循機制，當各層初始化之后，系統進(jìn)入低功耗模式；當事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統，開(kāi)始進(jìn)入中斷處理事件，結束后繼續進(jìn)入低功耗模式。如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，則判斷優(yōu)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(gè)Z-Stack的主要工作流程大致分為系統啟動(dòng)、驅動(dòng)初始化、OSAL初始化和啟動(dòng)、進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段。

 

在本系統中，由于傳感節點(diǎn)少、傳輸距離短，選擇星型網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構，協(xié)調器采用廣播的方式發(fā)送信息，而終端節點(diǎn)采用單播發(fā)送方式數據。CC2530平臺支持避免沖突的載波偵聽(tīng)多路存取(CSMA/CA)功能，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )啟動(dòng)后，主協(xié)調器處于監聽(tīng)狀態(tài)，終端節點(diǎn)進(jìn)行數據的發(fā)送，如果偵聽(tīng)信道狀態(tài)空閑則傳送數據包，否則等待并延時(shí)，直到信道狀態(tài)空閑數據包發(fā)送成功為止。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中終端節點(diǎn)內部程序流程如圖2所示。

 

 

 

本系統中實(shí)現與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中主協(xié)調器進(jìn)行通信的遠程智能監控平臺是Web系統。連接程序在MyEclipse2013環(huán)境下用Java編寫(xiě)，RXTXcomm.jar函數庫支持串口通信。頁(yè)面程序通過(guò)JSP實(shí)現，可以對波特率及COM端口等進(jìn)行設置調整，并可以進(jìn)行遠程監控。該平臺實(shí)現了對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的數據接收，并按照設置好的數據格式進(jìn)行數據采集，通過(guò)Java編寫(xiě)的存儲程序存入遠程服務(wù)器的數據庫。接口程序流程如圖3所示。

 

本系統通過(guò)一個(gè)結構體對各個(gè)節點(diǎn)的數據包進(jìn)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(gè)“&”。

 

 

例如路由節點(diǎn)采集溫度時(shí)使用如下填充數據的方式，如表2所示。設備名稱(chēng)temp表示設備是溫度設備；節點(diǎn)類(lèi)型ROU表示節點(diǎn)是路由節點(diǎn)；后面緊跟路由器的網(wǎng)絡(luò )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。

 

 

 

利用JSP和前端Ajax框架ExtJs，使用MySQL數據庫和Tomcat服務(wù)器，開(kāi)發(fā)的Web應用服務(wù)系統可以與遠程智能監控平臺和云服務(wù)平臺進(jìn)行快速整合，界面操作簡(jiǎn)單、美觀(guān)，且能夠大大縮短系統的研發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。

 

該系統實(shí)現人性化監控，包括室內環(huán)境監控數據顯示、終端節點(diǎn)控制以及對數據通過(guò)云服務(wù)層處理進(jìn)行室內環(huán)境舒適度評分，并列出所在服務(wù)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(gè)參數進(jìn)行監測。Web應用服務(wù)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(jīng)過(guò)與系統中各R值進(jìn)行比較得出。參數狀態(tài)及舒適度算法采用模糊理論，對應參數狀態(tài)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(huán)境舒適度評判如表6所示。

 

 

 

本文采用一個(gè)室內環(huán)境作為測試場(chǎng)景?；跓o(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，結合Web技術(shù)設計出能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對家居室內環(huán)境進(jìn)行遠程監控的物聯(lián)網(wǎng)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(wù)系統，2為遠程智能監控平臺，3為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。主協(xié)調器與遠程智能監控平臺通過(guò)USB串口相連接，溫濕度和光設備終端節點(diǎn)與監控平臺相距20 m且放置在不同的房間，啟動(dòng)Web應用服務(wù)系統，監控室內環(huán)境終端節點(diǎn)，可以查看遠程智能監控平臺和室內環(huán)境舒適度監測系統。

 

 

實(shí)驗開(kāi)始后，點(diǎn)擊室內環(huán)境遠程智能監控平臺上按鈕，進(jìn)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(mǎn)意，可以點(diǎn)擊燈光控制按鈕進(jìn)行調控，同時(shí)可以點(diǎn)擊室內環(huán)境舒適度監測系統按鈕，進(jìn)入該平臺查看溫度狀態(tài)、濕度狀態(tài)、光舒適度、室內環(huán)境舒適度和排名情況。

 

試驗證明無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )工作正常，遠程智能監控平臺在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )和Web應用服務(wù)系統之間進(jìn)行通信，對室內環(huán)境參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，并根據實(shí)際情況對終端節點(diǎn)進(jìn)行控制。

 

本文基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，結合云計算和Web 2.0技術(shù)設計出能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對室內環(huán)境進(jìn)行遠程監控的物聯(lián)網(wǎng)系統。實(shí)驗證明，通過(guò)Web應用服務(wù)系統可對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的監測數據進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并能夠根據舒適度監測結果對家居室內環(huán)境相應設備進(jìn)行遠程控制，從而完成對室內環(huán)境的自動(dòng)調節。該系統實(shí)現了設計目的，為下一步實(shí)現多平臺實(shí)時(shí)監控打下了堅實(shí)基礎，是物聯(lián)網(wǎng)架構在家居室內環(huán)境監控領(lǐng)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(wù)器作為家庭服務(wù)器，采用嵌入式Web服務(wù)監控平臺作為遠程智能監控平臺，由TQ2440開(kāi)發(fā)板以及Boa服務(wù)器組成，UART0編程實(shí)現串口通信，負責與主協(xié)調器的連接；(2)構建基于Hadoop的云服務(wù)平臺，進(jìn)行海量數據分析和提供人性化服務(wù)；(3)室內環(huán)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(shí)現。

 

本文來(lái)源于電子技術(shù)應用。