基于物聯網的室內設備監管系統設計

摘 要： 針對室內設備的監管問題，提出了一種基于物聯網技術的室內設備監控管理系統，該系統通過結合以太網通信、以太網供電（POE）和無線傳感器網絡技術實現。該系統由終端節點、參考節點、POE交換機和服務端四部分組成。通過終端節點與被監控設備綁定，利用加速度傳感器、溫度傳感器實現對被監管設備的信息采集，利用無線傳感網傳輸前端感知數據，并使用以太網作為主干網進行數據傳輸和供電，最終由服務端完成數據的存儲、處理和呈現。該系統結構清晰合理，部署簡單，為室內監控系統設計提供了新思路。

關鍵字： 物聯網； 以太網； POE； 無線傳感器網絡； 室內設備； 監管系統

中圖分類號： TN926?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0031?03

Design of IoT?based monitoring and management system for indoor equipments

LI Hua?zhou

（School of Information Engineering， Nanning College For Vocational Technology， Nanning 530009， China）

Abstract： An indoor equipment monitoring and management system based on Internet of Things technology is proposed in this paper to solve the For regulatory issues of indoor equipments. The system is realized by Ethernet communication， power over Ethernet （POE） and wireless sensor network technology. It consists of terminal node， reference node， POE exchanger and server?side. Information acquisition of the monitored equipments is implemented by binding the terminal nodes to the monitored equipments， and using acceleration sensor and temperature sensor. Wireless sensor network is used for transmission of the front?end perception data. Ethernet is employed as a backbone network for data transmission and power supply. Data storage， processing and display are achieved by server. The system has reasonable structure and simple deployment. It provided a new idea for design of indoor monitoring system.

Keywords： IoT； Ethernet； POE； WSN； indoor equipment； monitoring and management system

0 引 言

隨著社會的進步，對室內貴重設備的管理要求不斷提高。目前對于室內設備的監控和管理，采用的方法以人工結合監控攝像頭等方式，智能化程度不高。部分系統使用RFID實現，實時性不強，監控功能也受限。對于電子設備的定位和使用率等數據，都是通過人為登記的方式實現，沒有實現自動化。

有線以太網在室內信息交互中具有基礎設施齊全，容易布線，覆蓋廣泛，傳輸穩定性與可靠性高，可直接接入公網等優勢。以太網供電（Power Over Ethernet）[1]技術在無線路由、無線AP、VoIP電話及安防設備等產品中應用廣泛，符合802.3af標準[2]的POE的PD端設備可以從PSE端設備獲得10 W以上的電能。802.15.4無線[3]具有通信功耗低、頻段免費使用等優點，而且用來實現安防監控隱蔽性高。

為此，本文利用建筑物內和樓宇之間現有有線以太網的可靠通信并可實現POE供電，同時利用802.15.4的低功耗、監控高隱蔽性等優勢，形成一個由無線和有線組成的室內通信網絡，通過使用低功耗的溫濕度、加速度傳感器，并基于此混合通信網絡，實現基于室內設備的管理和實時監控等應用。

1 系統構架

系統構架如圖1所示。按照物聯網的網絡結構，可將系統分為：

感知層：由終端節點實現數據采集。在每個需要監控的設備如筆記本電腦、投影儀、工作站上都貼了一個終端節點。它是帶有溫濕度傳感器芯片、低功耗三軸加速度傳感器芯片、具有無線通信功能的微型計算機系統，它可以采集溫度、加速度數據和收發標準802.15.4協議的無線數據包。它的工作方式是基于休眠?喚醒機制。ATmega128RFA1[4]的Power Down 工作模式在WDT關閉的情況下工作電流為100 nA，RTC 定時器中斷或外部中斷可喚醒正在休眠的MCU。

網絡層：由參考節點和以交換機為核心的以太網組成通信網絡。參考節點既可以與終端節點無線交互無線數據包，也可以通過雙絞線連接到POE交換機。它接收終端節點發過來的無線數據包，并將有效傳感器數據取出，轉存至以太網標準格式數據包，通過以太網接口將數據轉發至以太網中的服務器主機。同時它作為IEEE 802.3af協議中 的PD 端（Powered Device）可以從POE交換機獲得10 W 以上的電能，足夠MCU全時間工作在常態模式。POE交換機是二層交換機，作用是以太網網絡數據包的交換，并作為供電端（PSE端）給受電端（PD端）提供電能。

應用層：由服務端完成數據的存儲和應用。服務端負責將參考節點發送過來的以太網數據包進行解析，并存入系統后臺數據庫中，為應用層提供云數據服務。同時服務端搭建了Web服務供客戶主機訪問，本系統在服務端設計了一個Windows下Apache+MySQL+PHP[5]的示例網站提供設備的管理和監控。

2 系統組成部分

本系統由終端節點、參考節點、POE 交換機和服務端四個部分組成。其中終端節點和參考節點中的單片機使用的是AVR 的ATmega128RFA1 的這款SOC。

2.1 終端節點

終端節點結構如圖2所示，它使用的傳感器有三軸加速度傳感器LIS3DH[6]、溫濕度傳感器SI7005。兩種傳感器都是I2C型。兩個不同地址的I2C設備通過I2C總線能被MCU尋址訪問。

終端節點的工作機制如圖3所示，它是基于休眠喚醒機制，在大多數的時間內，MCU是工作在power down 的工作模式內。在此模式下MCU的耗電電流是0.9 μA。它可以被設置的RTC定時喚醒，也可以被外部中斷喚醒。此處是10 s 定時喚醒一次采集溫度數據并發送溫度包。外部中斷與三軸加速度的報警中斷連接，中斷觸發后被喚醒的MCU會通過無線收發IC 發送加速度報警數據包。然后再進入休眠模式。這樣的工作機制是最大限度的保證節點的工作時間即電池的續航時間。

2.2 參考節點

參考節點按功能模塊劃分可以分為網絡接口模塊和電源轉換模塊，如圖4所示。

（1） 網絡接口模塊

PHY以太網控制器使用的是ENC28J60?ISO。它兼容標準的IEEE 802.3協議，集成部分MAC層和10BASE?T物理層協議，將以太網串行差分信號轉換成TTL的SPI信號與MCU交互，使用的是RJ45的1、2和3、6兩對串行差分信號線。

ENC28J60[7]實現了部分物理層和數據鏈路層的協議，而本系統使用了uIP協議棧來實現數據鏈路層以上的網絡應用。uIP的工作流程如圖5所示。

圖5 參考節點通信流程圖

本系統中的參考節點是作為TCP客戶端使用http get的方式將溫濕度、無線數據包RSSI數值、加速度數據寫入URL中，傳輸到服務端。

（2） 電源轉換模塊

參考節點采用POE技術取電。POE使用的是RJ45的4、5和7、8兩對空閑線對和網絡變壓器的中心抽頭。POE模塊使用的POE芯片是Silabs公司的SI3402[8]開關穩壓器，支持“中跨式”和“終端式”兩種方式的電源輸入，兼容802.3af、802.3at（POE+），集成了所需的整流二極管和瞬態抑制管。本系統的POE模塊是class 3，可以給負載提供10 W的電量。

SI3402穩壓開關頻率在350 kHz，參考設計方案有隔離和非隔離兩種設計。本模塊使用隔離式設計。

2.3 POE交換機

本系統中，POE交換機使用的是TP?LINK TL?SF1008P 8口二層交換機。

2.4 服務端

服務端的設計使用的是Windows下Apache+Mysql+PHP搭建提供數據存儲和訪問。本系統實現了一個監控網站，提供設備庫存管理，設備借還和設備實時監控三種功能，如圖6所示。

系統的實時監控，包括系統的設備使用率調查、位置監控和防盜。對于設備使用率調查統計，本系統通過溫度數據實現。將指定設備的定時采集到的溫度歷史數據超過35 °C的次數和總次數做比值，作為相應設備的使用率并反饋給客戶端。對于設備的位置，基于終端節點發來的基于RSSI[9]的參數。服務端也將可以實時地將最新的需要查詢的設備歸入收到的最大RSSI 值的已知位置的參考節點所在區域呈現。對于防盜報警，基于TCP Socket[10]技術。服務端會主動地輪詢數據庫中非工作時間固定設備的防盜報警記錄，并主動將報警信息推送給客戶端。

3 結 語

室內的無線監控應用，可以與傳統的有線以太網結合，充分發揮各自的優勢。本系統不但可以實現設備的日常管理，還可以通過傳感器和通信網絡實現對設備的實時監控和報警。今后本系統可以升級完善的地方有：

定位的算法部分需要改進，目前只是通過參考節點的部署，簡單地通過RSSI判斷；

參考節點的網絡接口部分需要有EMC設計改進；

報警可以采用GSM短信報警、APP報警等實用性更好的方式。

參考文獻

[] 張曉東.POE供電技術在電視監控系統中的應用[J].信息系統工程，2012（8）：38?39.

[2] 胡志華，郭其一.基于IEEE802.3af的以太網供電技術（POE）[J].儀表技術，2007（4）：54?56.

[3] 張榮標，谷國棟，馮友兵，等.基于IEEE802.15.4的溫室無線監控系統的通信實現[J].農業機械學報，2008，39（8）：119?122.

[4] 裘瑩，李士寧，吳雯，等.通用無線傳感器網絡節點平臺設計[J].計算機工程與應用，2012，48（23）：90?94.

[5] 郭泉成，劉鈺，劉紅，等.基于WAMP的遠程醫療咨詢系統的設計與實現[J].微型機與應用，2013，19（32）：17?18.

[6] 韓文正，馮迪，李鵬，等.基于加速度傳感器LIS3DH的計步器設計[J].傳感器與微系統，2012，31（11）：97?99.

[7] 劉瓊，朱志偉，周志光.基于ENC28J60的嵌入式網絡接口的設計[J].微計算機信息，2008（14）：306?308.

[8] 張海亮，李德敏.基于FIC8120和PoE的IP?Camera設計[J].微計算機信息，2007（12）：148?149.

[9] 張美燕，蔡文郁，周麗萍.無線Zigbee傳感網RSSI定位技術研究[J].計算機技術與發展，2014（10）：23?25.

[10] 伍丹，高紅菊，梁棟，等.無線傳感器網絡農田環境監測管理平臺設計[J].農機化研究，2014（9）：138?141.