基于物聯網的多傳感器數據采集系統研究

胡茂力,李艷春，肖南峰

(華南理工大學 計算機科學與工程學院，廣州 510006)

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基于物聯網的多傳感器數據采集系統研究

胡茂力,李艷春，肖南峰

(華南理工大學 計算機科學與工程學院，廣州 510006)

為了預防火災、爆炸、泄漏、煙霧等災害事故的發生，迫切需要實現對企業的安全生產進行監控和預警。為此，設計并實現了一套基于物聯網的多傳感器生產環境數據采集系統。使用TQ6410作為網關，將其融合在無線傳感器網絡中，調用GPRS服務，將采集到的生產環境數據可控地發送至遠程的生產企業服務器進行甄別，之后再將預警結果發送至各類終端用戶設備。實驗結果表明：該方案能快速地對企業生產環境進行數據采集，當存在危險數據時，能及時做出預警與監控。

物聯網；無線傳感器網絡；數據采集；安全監控

近年來，在我國各類大中小企業生產中，發生重大安全事故的案例越來越多,尤其是以火災、爆炸、泄漏、煙霧等災害事故居多，所以監控和預警這類災害事故已成為迫在眉睫的任務。為此，本文以各類企業重大危險源辨識及事故調查反演分析為目標，以傳統方法為基礎并結合基于物聯網的監控和預警關鍵技術，構建了一個能對企業關鍵生產裝置中重大危險源進行辨識的災害事故預警和監控系統。該系統將對于防范我國各類企業生產過程的火災、爆炸、泄露、煙霧等災害事故及事故調查反演分析起極大的作用。

1　基于物聯網的多傳感器數據采集系統設計

本文提出的基于物聯網的多傳感器數據采集系統的主要層次架構如圖1所示。

圖1　采集系統的主要層次架構

1.1無線網絡層

無線網絡層承載的是多傳感器數據采集端，主要任務為在監控現場進行數據采集，并定時將采集到的數據通過GPRS傳輸到系統服務器。采集的數據主要分為兩種：① 圖像數據。即布置在各關鍵生產裝置處的攝像設備所拍攝的圖像；② 環境數據，即由各類傳感器所采集到的數據信息，主要包括溫度、濕度、煙霧濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、液化石油氣濃度、氨氣濃度、醛酮醇類氣體濃度等8種。本層主要使用8種類型的環境數據傳感器和1種圖像傳感器，通過ZigBee局域網絡協議組成無線傳感器網絡進行數據的采集[1-2]。

1) 環境數據傳感器節點。8種環境數據傳感器模塊如表1所示，采用的是系統級芯片STM32W108。各模塊各司其職，監測周圍環境中對應的元素值。由于采集數據格式(單位、數值范圍)各式各樣，所以需要一個匯聚節點(亦即協調管理節點)來進行管理。匯聚節點主要匯聚8種環境數據傳感器數據，進行格式化，并與TQ6410網關進行數據傳輸.因而可得到由環境數據傳感器所組成的無線網絡層拓撲結構，該結構為星型拓撲結構，如圖2所示[3]。

表1　8種環境數據傳感器

圖2　無線網絡層拓撲結構

2) 無線網絡組建。無線網絡是基于IEEE 802.15.4標準的無線傳感器網絡，該網絡組建步驟如下：① SUN主節點(匯聚節點)首先初始化網絡狀態，對PLANET表初始化，設置PAN_ID和Node_ID(默認0x0000)，清除原有的直接隊列和間接隊列；打開無線信道，在11～26信道中選擇一個能量最小的可用信道作為自己的網路信道，并設置網絡狀態為TRUE，等待PLANET子節點(傳感器節點)加網。② SUN主節點初始化完成后，PLANET子節點準備加入網絡。PLANET子節點首先判斷自己是否在網絡中，若不在網絡中，則對自身進行初始化，構造1個負載類型為PT_SUN_SEARCH的幀，類型為SUN_SEARCH_ PACKET，然后在信道上查找是否有可用的網絡，發送搜索數據包。③ SUN主節點收到SUN_SEARCH_ PACKET類型幀后，判斷自身的PLANET表中是否有空間，如果有就向PLANET子節點反饋1個負載類型為PT_SUN_ AVAILABLE的幀，類型為SUN_AVAILABLE_PACKET，發送應答包。④ PLANET子節點收到SUN_ AVAILABLE_PACKET類型幀后，就找到了1個可用的網絡，此時需要檢查自己的PAN_ID是否與SUN節點一致，修改自身的PAN_ID和SUN一致后，向SUN單播發送1個負載類型為PT_JOIN_ REQUEST的幀，類型為JOIN_REQUEST_ PACKET的包，請求加入。⑤ SUN主節點收到JOIN_REQUEST_ PACKET類型幀后，檢查自身的PLANET表空間，如果有空間，就為該PLANET分配1個短ID，并反饋1個JOIN_A CCEPTED_PACKET響應幀給PLANET。若無，則反饋JOIN_DENIED_ PACKET響應幀。⑥ PLANET子節點收到JOIN_ACCEPTED_ PACKET類型幀后，從SUN主節點發過來的數據包中提取SUN主節點分配的短地址并設置自己的短地址，并將networkJoinStopSearching標志改為TRUE，停止搜索。至此，PLANET子節點加入網絡成功[4-6]。

3) 無線網絡的數據傳輸。無線網絡組建完成后，SUN節點與PLANT節點便可進行數據傳輸。PLANET子節點的基本工作為：首先進行硬件及相應變量的初始化，然后需要按下“發送按鍵”觸發發送數據包操作；當按鍵被按下后，會發送數據包給SUN主節點。SUN主節點的基本工作則為：首先進行硬件及相應變量的初始化，然后循環檢測是否收到來自PLANET子節點的數據包，若收到數據包則進行分析，執行與數據包對應的操作[4]。SUN主節點匯聚齊數據后，通過RS232交叉串口線與物聯網網關按照協議進行通信，其中協議的細節在下一節數據鏈路層中會進行詳細解析。

4) 圖像傳感器節點。圖像傳感器節點采用的是USB攝像頭。在圖像采集方案設計上，采用了V4L2(video 4 linux 2)這一針對uvc免驅usb設備的編程框架。其采集流程如下：① 通過/dev中的設備號，獲取設備端口號，打開USB攝像頭設備。② 選擇圖像輸入，1個圖像設備可以有多個圖像輸入。③ 設置圖像的制式和幀格式，制式包括PAL和NTSC，幀的格式包括寬度和高度等。④ 向驅動申請幀緩沖，一般不超過5個。⑤ 申請物理內存，即將申請到的幀緩沖映射到用戶空間，這樣就可以直接操作采集到的幀，而不必去復制。將申請到的幀緩沖全部入隊列，以便存放采集到的數據。⑥ 當前面的工作準備就緒后開始圖像的采集。⑦采集圖像，以取得已采集數據的幀緩沖，取得原始采集數據。發送給物聯網網關(TQ6410)，網關會通過GPRS Modem來發送采集到的數據給服務器。⑧ 停止視頻采集。⑨ 關閉視頻設備。流程如圖3所示[5-8]。至此，無線網絡層的8+1種傳感器的數據采集已完成，數據將傳輸至數據鏈路層。

1.2數據鏈路層

數據鏈路層承載的是物聯網網關，本文選用天嵌科技研發的TQ6410開發板，如圖4所示[9]。使用的端口有：USB接口1，與GPRS模塊連接；USB接口2，與USB攝像頭連接；COM接口1，與無線網絡中的匯聚節點通過RS232交叉串口線連接；COM接口2，與調試PC連接(可選)。

圖3　圖像傳感器節點工作流程

圖4　TQ6410接口說明

物聯網網關支持感知延伸設備之間的多種通信協議和數據類型，實現多種感知延伸設備之間數據通信格式的轉換，對上傳的數據格式進行統一，同時對下達到感知延伸網絡的采集或控制命令進行映射，產生符合具體設備通信協議的消息。物聯網網關對感知延伸設備進行統一控制與管理，向上層屏蔽底層感知延伸網絡的異構性，共分為4層：業務服務層、標準數據構成層、協議適配層和感知延伸層。物聯網網關架構如圖5所示[10-11]。

圖5　物聯網網關架構

物聯網網關架構的各層設計細節如下：① 業務服務層。主要模塊為數據接收模塊、數據發送模塊。數據接收模塊主要負責接收來自中央數據中心發送過來的具有標準格式的數據，例如發送數據的命令或者更改采集頻率的通知等，并將上述數據往下傳遞給標準數據構成層。數據發送模塊則主要負責向中央數據中心安全地傳輸來自最底層感知延伸網絡所采集并經過底層協議包裝的數據信息，包括環境數據傳感器的數據以及圖像傳感器采集的圖像信息。在接收與發送的過程中，對于接收、發送的數據必須保證其安全性以及協議封裝有效性。② 標準數據構成層。主要模塊為數據解析模塊、數據轉換模塊。當上層數據往下傳輸時，數據解析模塊將請求數據轉換模塊進行轉換工作，將標準數據轉換為協議適配層能夠理解的且底層感知延伸設備能夠應用的數據格式，轉換規則依賴于具體的底層通信協議。而當底層的感知延伸設備往上傳輸采集的數據時，該模塊將請求數據轉換模塊，將采集的數據轉換為業務服務層能夠發送的格式。本層的2個模塊是整個物聯網網關設計的重要工作，是網關的核心。本層還實現了物聯網網關的可管理能力，對底層的感知延伸設備進行統一控制管理，在往上傳輸數據時，屏蔽底層協議的異構性，對數據格式管理也達到統一。③ 協議適配層。主要模塊為協議解析模塊，主要負責將底層多樣的感知延伸設備所支持的通信協議轉換為格式統一、便于管理的數據和控制命令。④ 感知延伸層。主要模塊為數據接收模塊、數據發送模塊，與業務服務層類似，數據發送模塊主要負責發送數據給底層的感知延伸設備，這些數據是經過標準數據構成層進行轉換后獲得的。數據接收模塊則主要負責接收來自底層感知延伸設備采集到的數據，向上進行傳輸，發送至標準數據構成層進行解析工作。本層的感知延伸設備，主要包括8個環境數據傳感器以及1個圖像數據傳感器，支持多種底層的通信協議，包括RFID協議、ZigBee協議、藍牙協議等。物聯網網關解決了物聯網網絡內不同設備無法統一控制和管理的問題，達到屏蔽底層通信差異的目的，并使得最終用戶無需知道底層設備的具體通信細節，實現對不同感知延伸層設備的統一訪問[10-13]。

1.3數據存儲控制層

數據存儲控制層承載的是中央數據中心。中央數據中心主要分為圖像接收子系統、數據存儲子系統、圖像處理子系統。圖像接收子系統負責接收圖像數據，接收完成后再把圖像數據發送到數據存儲子系統。數據存儲子系統對圖像做預處理后進行存儲，再把圖像的編號放到待處理隊列。該隊列根據圖像處理子系統的負載量適時的發送圖像數據和處理命令到圖像處理子系統對圖像進行處理，并把處理結果返回保存到數據庫中，再把相應監測對象的模板數據和剛處理得到的數據通過融合模型計算，從而得到預警結果。對于有可能發生災害的數據生成預警信息，更新客戶端的預警信息列表。中央數據中心的監控服務器系統總體功能結構如圖6所示。該層處理圖像數據及傳感器數據還運用了其他算法，例如自底向上注意機制、Itti算法、FT(frequency-tuned salient region detection)算法等[1，14-15]。

1.4應用層

應用層承載終端用戶設備，主要用于數據的顯示和與用戶進行交互。通過網絡連接到服務器后，客戶端通過給服務器發送命令，接收服務器返回的數據。在客戶端可以執行查看圖像、查看預警信息、對預警信息進行確認或取消等操作。本文采用云片網絡提供的彩信、短信發送平臺。圖7所示為基于云片網絡的短信發送后臺管理系統。通過云片網提供的API接口主要函數，付費獲取APIKEY，寫入服務器程序中，與指定的用戶號碼進行通信。

圖6　監控服務器系統總體功能結構

圖7　云片網絡短信發送后臺管理系統

2　系統集成實現與測試

采集系統的實現如圖8所示。多傳感器數據采集端和物聯網網關實現后的實物如圖9所示。圖9(a)中包含了8種無線傳感器、匯聚節點、USB攝像頭、TQ6410網關以及GPRS模塊。為了實際測試采集系統的數據采集效果，還設計了實驗箱來模擬火災以及氣體泄漏，分別如圖9(b)和圖9(c)所示。

圖8　采集系統實現示意圖

圖9　實驗設備

2.1GPRS模塊通信實驗

本實驗的主要目的是驗證采集系統的GPRS模塊能否有效地鏈入網絡，并準確地往中央數據中心接收與發送數據，從而驗證無線網絡層的傳感器與數據存儲層的數據中心之間的信息交互是否能夠成功。實驗時，通過TQ6410物聯網網關與GPRS模塊相互搭載，形成通信網關，如圖10所示。將通信網關的硬件接通電源，并且使用撥號命令，撥號上網。多次收發數據，統計其中的上下行時間及帶寬，并針對獲取的數據進行總結分析。

圖10　通信網關硬件

實驗過程：首先接通TQ6410物聯網網關的電源，在屏幕校準后進入GPRS撥號階段；運行“pppd call gprs”撥號指令；在信號基站對鏈路的連接進行認證后，物聯網網關分配到一個IPv4的地址(在圖11中為10.74.132.78)，該組合的通信網關成功地加入了互聯網中。網關的聯網截圖如圖11所示。

圖11　GPRS模塊聯網過程

接下來進行將傳感器端的數據發送往中央數據中心實驗。數據傳輸測試實驗的具體步驟為：① 預設大約10 kb大小的數據；② 在撥通網絡的條件下，循環地向中央數據中心發送與接收該組數據；③ 每一次數據統計都選取近10次的數據進行平均估值，并記錄相應的帶寬數據。在經過實驗統計后，匯總數據如表2所示。

表2　數據傳輸時間統計

注：時間單位為ms；帶寬單位為(kb·s-1)。

從表2統計的數據中可以看出：在系統的GPRS模塊中，上下行帶寬都能夠超過10 kb/s，對于傳感器采集的數據進行傳輸是滿足其通信需求的，也證明了該GPRS鏈入的互聯網網絡可用于物聯網的網絡搭建，具有有效性及可行性。當然，其缺點也在于該GPRS網絡的上下行傳輸速度不高。通過查閱移動網絡方給予的官方數據可知GPRS通信最高帶寬為172 kb/s。由于客觀因素以及通信競爭等原因，用戶只能享用其1/2的信道帶寬，從而導致最終用戶所使用的帶寬可能不足官方數據顯示的一半。在技術層面上來說，上行的帶寬只占總帶寬的1/3。因此，如果接收與傳輸的數據量增大，系統中的數據傳輸將成為瓶頸。不過，隨著3G、4G網絡的全方面覆蓋以及對應的通信技術日趨成熟，這一問題可以很輕松地解決，而且日后移動通信網絡也必將在物聯網技術的傳輸領域占有不可替代的地位。

2.2環境傳感器氣體泄漏模擬實驗

本實驗主要目的是驗證系統的無線網絡層中的8種傳感器能正確有效地組網，并在組網后，匯聚節點能通過連接線將數據傳輸至TQ6410開發板，并且通過GPRS模塊將數據發送至中央數據中心。要求1：8種傳感器能組入統一網絡，并互不干擾的正常工作；要求2：在多個網絡并存(存在多個匯聚節點)時，各類傳感器能夠找尋屬于各自網絡的匯聚節點，并正常工作。為了能滿足要求1和2的要求，設計了兩次實驗。實驗1為單組網絡的正常工作。主要步驟：① 匯聚節點(Sun節點)與8種傳感器節點(各Planet節點)同時通電；② 觀察各Planet節點加入Sun節點組成的網絡時LED燈的明暗變化并檢查匯聚節點的匯總數據；③ 關閉8種傳感器中的若干傳感器，檢查其他傳感器是否正常工作并檢查匯聚節點的匯總數據。實驗2為多組網絡的正常工作。主要步驟：① 同時啟動兩組傳感器，觀察各傳感器的組網情況；② 關閉其中一組的某些傳感器，觀察兩組傳感器對應的傳感器數值的變化；③ 多次重復步驟②。

兩組實驗中組網成功后，需要傳感器的匯聚節點鏈接TQ6410開發板，TQ6410開發板再通過GPRS模塊連接入網，往中央數據中心發送傳感器節點采集的環境數據。單組傳感器組網實驗過程：首先打開Sun節點開發板上的開關，此時開發板上的power指示燈亮，表明開發板已經上電，并處于待機狀態，實驗時狀態如圖12 (a)所示。而此時各Planet節點開發板也由Sun節點開發板上提供的電源同時被上了電，均處于待機請求加網狀態，實驗時狀態如圖12 (b)所示。此時，使用串口工具向Sun節點發送組建無線傳感器網絡的命令“f”。Sun節點開發板接收到串口發送過來的命令“f”，則開始組建一個無線傳感器網絡，而各Planet節點開發板將陸續加入到該無線傳感器網絡當中，但暫時未開始采集數據。實驗時狀態如圖12(c)和圖12(d)所示。

此時，使用串口工具助手，發送“d”命令至Sun節點，查看各傳感器的工作狀態，如圖13所示。由于各傳感器的工作按鈕尚未被按下，所以采集到的數據均為0。當各個Planet節點上的S3工作按鈕被按下之后，對應節點才開始進行相應的環境數據采集，并將其定時發送到Sun節點上。再次通過串口助手發送“d”命令至Sun節點，即可接收到采集到的環境數據信息。實驗時采集的數據如圖14所示。

圖13　各傳感器加入網絡

圖14　匯總的數據示例

在Planet節點上還有一個Reset按鈕可以重置節點狀態，使其還原到初始狀態。也可以使用開關on-off來調節節點的組網與否。關閉某傳感器，對應的傳感器會離網，其對應的傳感器數值會變為0。在本實驗中，關閉CH4傳感器的電源，數據變化如圖15所示。從上述的單組傳感器組網實驗中分析可以得出：8種類型的傳感器能準確地加入匯聚節點；通過兩個LED燈的明暗可以得知是否加入無線網中；節點與節點之間互不影響，任意一個節點不工作或者工作不正常，皆不影響其他傳感器節點。

圖15　斷開傳感器時示例

多組傳感器組網實驗過程：同時打開兩組傳感器，觀察兩組傳感器節點的組網指示燈明暗變化。通過多次實驗驗證表明，兩組傳感器之間的傳感器節點都能圍繞各自的匯聚節點正常工作，互不干擾。中央數據中心打開數據接收程序，可以接收通過GPRS鏈接的TQ6410開發板發送過來的數據，如圖16所示。從數據圖像的變化可以看出：在模擬氣體泄漏前后能準確捕捉到各項環境數據的變化，并準確顯示到服務器端的展示處。

2.3圖像傳感器實驗

本實驗的主要目的：驗證系統中的圖像傳感器節點能夠正常工作，獲取圖像數據并回傳到服務器中。實驗步驟：① 通過USB接口將USB攝像頭連接入TQ6410開發板中；② TQ6410開發板通過GPRS模塊撥號上網，鏈接中央數據中心；③ 在火災模擬實驗箱中引燃可燃物，TQ6410啟動圖像數據采集程序，攝像頭自動拍攝火災圖像；④ TQ6410開發板啟動圖像數據發送程序，將火災圖像發送至中央數據中心。實驗過程及結果分析：首先將各硬件都連接妥當，并且使用GPRS模塊撥號完畢，在火災模擬實驗箱的燃燒池中引燃可燃物。TQ6410便開始發送圖像數據至服務器端。服務器端接收到數據，顯示在程序的圖片展示處，實驗時具體情況如圖17所示。從實驗結果中可以看到，圖像數據采集系統可以清晰地捕捉到生產環境的圖像數據，并發送到中央數據中心，在加以處理后，顯示于展示處。

圖16　服務器端數據接收

圖17　服務器端展示燃燒池火焰圖像

2.4預警信息發送實驗

氣體泄漏和火災災情都會引發相應的預警處理。首先驗證TQ6410的采集頻率變化。采集頻率的初始值為60 s(1 min)。即TQ6410網關每分鐘發送1次數據給中央數據中心，具體數值可以隨不同的生產裝置而設置不同。在進行氣體泄漏以及火災模擬后，從數據庫中可以取得關于傳感器采集時間的相關數據，如表3所示。

可以發現：在正常情況下，數據采集時間間隔為60 s左右(存在系統誤差)。在數據中心發現數據異常時，發送了“i”指令請求網關加快匯聚節點的數據采集頻率，數據采集時間間隔被縮減為15 s 左右。當災情消去時(泄漏氣體擴散，災情變小)，采集頻率回到了60 s左右。由于中央數據中心確認發生了災情，可以在預設手機接收端收到如圖18所示信息，該信息證實了系統的預警處理以及云片網相應API的有效性。

表3　采集時間數據

圖18　預警信息展示

3　結束語

本文通過分析企業生產安全中需要監控的數據，設計了基于物聯網的多傳感器數據采集系統，并通過對采集方案層次圖的擴充，引入云片網的短信API技術，最終實現了數據采集系統，并設計實驗箱用以模擬火災環境。通過實驗表明：該方案能夠快速地對企業生產環境進行數據采集，當存在危險數據時，能及時做出預警與監控。

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(責任編輯楊黎麗)

Research of Multi-Sensor Data Acquisition Technology Based on Internet of Things

HU Mao-li, LI Yan-chun, XIAO Nan-feng

(School of Computer Science & Engineering, South China University of Technology,Guangzhou 510006, China)

In order to prevent the occurrence of production accidents, it is urgent to research the technology which used in safety monitoring of enterprise manufacture that we can realize the monitoring and early warning of enterprise manufacture. We designed and implemented a multi-sensor data acquisition system based on Internet of things which using TQ6410 as a gateway. It fuses the data collected in wireless sensor network, and calls GPRS services, sends the environment data of production to the remote data center. After handling, the warning results will send to the terminal of user equipment. The experimental results show that the scheme can quickly have data acquisition to the enterprise production environment and can make the early warning and monitoring in a timely manner when there is a data danger.

Internet of things; wireless sensor networks; data acquisition; safety monitoring

2016-06-28

國家自然科學基金資助項目(61573145)；廣東省公益研究與能力建設專項資金資助項目(2014B010104001)；廣東省自然科學基金資助項目(2015A030308018)

胡茂力(1991—),男,碩士,主要從事智能計算與工業機器人研究; 通訊作者 李艷春(1981—)，女，湖南漣源人，博士研究生，講師，主要從事計算機視覺和深度學習研究，E-mail:aserwer@163.com; 肖南峰(1962—),男,江西南昌人,教授,博士,CCF會員,本刊編委，主要從事人工智能,機器人,計算機應用研究，E-mail: xiaonf@scut.edu.cn。

format：HU Mao-li, LI Yan-chun, XIAO Nan-feng.Research of Multi-Sensor Data Acquisition Technology Based on Internet of Things[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):108-117.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.017

TP391.1

A

1674-8425(2016)10-0108-10

引用格式：胡茂力,李艷春，肖南峰.基于物聯網的多傳感器數據采集系統研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(10):108-117.