基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

肖鵬 陳健 姜培

摘 要：文中設計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對廣州市大學城，廣州市五山和惠州市廣工大物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新研究院等三地溫濕度、光強的監(jiān)測，并對燈泡亮滅進行遠程控制。利用Qt平臺開發(fā)的基于安卓操作系統(tǒng)的移動客戶端應用程序，通過簡潔友好的界面展示了不同位置的環(huán)境信息以及供用戶使用的控制按鈕。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關；設備云；遠程監(jiān)控

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）01-00-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)的概念于1999年由麻省理工學院的Auto-ID實驗室提出，基于無線傳感網(wǎng)絡和射頻識別技術，實現(xiàn)物體的定位和狀態(tài)識別[1]。其目的在于實現(xiàn)一個全面感知，無縫互聯(lián)的高度智能世界。隨著因特網(wǎng)技術和無線傳感網(wǎng)技術的進步，一個萬物互聯(lián)的時代已悄悄來臨。據(jù)IDC預測：“到2020年，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的連接設備數(shù)量將達到290億，到2025年，這些設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將驅動11萬億美元的經(jīng)濟價值”[2]。通常來說，物聯(lián)網(wǎng)由感知層，傳輸層，應用層構成[3]。感知層主要負責信息采集和短距離傳輸；傳輸層主要負責將感知層的數(shù)據(jù)進行長距離傳輸；應用層用于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理和決策，主要包括各類應用服務，如環(huán)境監(jiān)控，智能電網(wǎng)，工業(yè)控制，綠色農(nóng)業(yè)，智能家居，公共安全等。物聯(lián)網(wǎng)和和云計算技術為物聯(lián)網(wǎng)基礎平臺應用提供了新的機遇，在物聯(lián)網(wǎng)應用過程中，傳感器采集的數(shù)據(jù)將會被存儲在云環(huán)境中[4]。云計算技術為用戶提供了三種不同的服務模式，即基礎設施及服務（LaaS）、平臺及服務（PaaS）、軟件及服務（SaaS），這些服務可以運行在公有云、私有云和混合云當中[5]。

本文基于物聯(lián)網(wǎng)傳感技術和DiGi云平臺的PaaS模式，設計并實現(xiàn)了一套環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。通過在廣州市大學城、廣州市五山和惠州市廣工大物聯(lián)網(wǎng)協(xié)同創(chuàng)新研究院（簡稱惠州市廣工大研究院）分別部署執(zhí)行器和傳感器，利用DIGI公司的XBee適配器將數(shù)據(jù)匯集到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關協(xié)調器，使用Python語言在網(wǎng)關上部署應用程序。一方面網(wǎng)關通過ZigBee技術與感知層設備交互，另一方面網(wǎng)關可以通過以太網(wǎng)與設備云交互。設備云可以對網(wǎng)關上傳的數(shù)據(jù)進行分析、存儲和展示。利用Qt平臺設計的Android手機應用客戶端可通過調用設備云提供的應用程序接口（API）實現(xiàn)對執(zhí)行器的控制，并以燈泡的亮滅顯示；可對當前環(huán)境的溫度、濕度及光強進行監(jiān)測。該系統(tǒng)大大提高了用戶對遠程環(huán)境的感知能力。

1 系統(tǒng)總體實現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，感知層部署了兩個終端節(jié)點，分別為信息采集傳感器節(jié)點和燈泡控制節(jié)點，其中信息采集傳感器可以采集溫度（T）、濕度（H）和光強（L）；終端節(jié)點利用ZigBee技術將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關協(xié)調器，網(wǎng)關利用以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至設備云。此時可以通過本地瀏覽器或者安卓客戶端監(jiān)控感知層節(jié)點。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 T/H/L傳感器節(jié)點與燈泡執(zhí)行器節(jié)點

本系統(tǒng)的T/H/L傳感器節(jié)點采用XBee傳感器模塊，該模塊可實時讀取溫度、濕度、光強參數(shù)，并通過ZigBee技術進行數(shù)據(jù)傳送；燈泡執(zhí)行器節(jié)點使用XBee數(shù)字I/O適配器，該適配器擁有4個支持集電極開路上拉和下拉的接口，可通過配置引腳模式來控制適配器的端口狀態(tài)。二者皆可配合網(wǎng)關將數(shù)據(jù)送至設備云，也可通過網(wǎng)關下發(fā)指令，控制適配器輸出引腳的高低電平。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關的作用在于銜接感知層與應用層，主要功能涵蓋節(jié)點管理、多種信息交互（TCP，HTTP，UDP，SMTP，SMS等）、信息記錄與管理、云端信息安全管理等[6，7]。本系統(tǒng)使用DIGI公司的XBee Gateway-ZigBee to Ethernet/WiFi，該網(wǎng)關通過ZigBee技術與其他XBee模塊連接，使用了開源的Python開發(fā)環(huán)境，可通過開發(fā)應用程序實現(xiàn)設備云與感知層節(jié)點的數(shù)據(jù)交互。圖2所示為該網(wǎng)關的軟硬件架構。

網(wǎng)關核心處理器為Fresscale公司生產(chǎn)的i.MX28 ARM9處理器，ZigBee網(wǎng)絡信息交互采用DIGI公司生產(chǎn)的XBee S2C ZigBee模塊。該模塊采用SMT封裝，擁有PRO版本的物理層，傳輸距離更遠。XBee S2C采用Ember357單片機，與XBee S2采用相同的Ember ZigBee 協(xié)議棧，二者之間可以相互通信。網(wǎng)關中用戶應用程序可使用20 MB RAM和10 MB Flash。

1.3 DIGI設備云

設備云處在整個系統(tǒng)的應用層，具有數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示和設備管理等功能，并提供豐富的API。DIGI設備云是一個設備托管服務平臺，具備PaaS服務能力，可提供設備管理、設備實時通信以及數(shù)據(jù)存儲服務等[8，9]。考慮到DIGI設備云不僅提供了免費的應用開發(fā)平臺，以及業(yè)界領先的安全協(xié)議和可即時連接任何M2M設備，更可對存儲時間序列數(shù)據(jù)進行智能分析的優(yōu)勢，因此將其作為本系統(tǒng)的云服務平臺。本系統(tǒng)設備云作為應用層數(shù)據(jù)的獲取源，同時也作為數(shù)據(jù)展現(xiàn)和設備控制的平臺。

1.4 移動客戶端應用

設計基于安卓的客戶端是為了實現(xiàn)移動監(jiān)控功能，由于Qt擁有跨平臺的C++應用程序開發(fā)框架，且提供了自由軟件的用戶協(xié)議，使得它可以被廣泛應用在各平臺上的開放源代碼軟件開發(fā)中，因此選擇Qt作為開發(fā)平臺。使用Qt開發(fā)的軟件，相同的代碼可以在任何支持的平臺上編譯、運行，無需修改源代碼，可自動根據(jù)平臺的變化而表現(xiàn)出平臺特有的圖形界面風格[10]。本系統(tǒng)開發(fā)的移動客戶端主要基于安卓操作系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

2.1 網(wǎng)關應用程序設計

2.1.1 燈泡控制應用程序

在XBee數(shù)字I/O適配器的一個輸出端口接MOSFET三極管的柵極，適配器+12 V電源輸出端通過燈泡接到漏極，適配器的地與源極相連，可通過控制輸出口的電平實現(xiàn)控制燈泡亮滅的目標。適配器輸出端的電平通過調用XBee封裝的庫函數(shù)實現(xiàn)，常用的幾個庫函數(shù)見表1。

本程序中主要用到了 xbee.ddo_set_param（）和idigidata.register_callback（）模塊。idigidata.register_callback（）函數(shù)實現(xiàn)了回調功能。應用程序按照預先制定的協(xié)議解析指令內容，實現(xiàn)對適配器端口狀態(tài)的控制。在本系統(tǒng)中，指令協(xié)議只有六條，分別為HUI4 ，HUI5，DA4，DA5，WU4，WU5，其中4代表開燈，5代表關燈，數(shù)字前面的字母代表不同的位置。主要程序片段如下：

Def data_callback（data_callback_example，xml：

If xml.find（“HUI4”）>-1：

xbee.ddo_set_param（DESTINATION0， ‘D4， 4）

elif xml.find（“HUI5”）>-1：

xbee.ddo_set_param（DESTINATION0， ‘D4， 5）

handle=iDIGIdata.register_callback（“data_callback_example”， data_callback）

當網(wǎng)關程序部署好后，使用設備云提供的API進行調試，可及時驗證網(wǎng)關程序的運行效果，同時為后續(xù)的App開發(fā)提供可靠依據(jù)。00000000-00000000-00409DFF-FF5E0EBF為網(wǎng)關的Id，API 調試程序如下：

HUI4

2.1.2 傳感器數(shù)據(jù)讀取應用程序

在將傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳到設備云的過程中，網(wǎng)關應用程序的主要功能包括獲取數(shù)據(jù)、封裝數(shù)據(jù)格式、上傳數(shù)據(jù)。下面分別就實現(xiàn)三個功能的主要代碼作簡單介紹。

數(shù)據(jù)獲取調用 sock.recvfrom（）模塊，該函數(shù)以近似Socket套接字通信的方式將底層傳感器的數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關。根據(jù)I/O采樣的數(shù)據(jù)手冊可以分別提取出溫度、濕度和光強數(shù)據(jù)。部分代碼如下：

payload，src_addr=sock.recvfrom（200）

light=float（ord（payload[6]）*256+ord（payload[7]））*1200/1023

temp_c=（float（ord（payload[8]）*256+ord（payload[9]））*1200/1023-500）/10

hum=float（ord（payload[10]）*256+ord（payload[11]））*1200/1023

humidity=（（hum*108.2/33.2）/5000-0.16）/0.0062

封裝數(shù)據(jù)格式主要是指將數(shù)據(jù)封裝為可擴展標記語言格式（XML），XML語言是一種簡單的數(shù)據(jù)存儲語言，也是用于數(shù)據(jù)交換的公共語言。通過設計的fmt_dp（）函數(shù)可以將數(shù)據(jù)以XML的格式封裝。部分代碼如下，其中參數(shù)payload為上一步采集的數(shù)據(jù)。

upload_data=fmt_dp（payload， “serial_data_0621hz”， time.time（） * 1000， “String”， “b6 encoded”）

數(shù)據(jù)上傳是將已封裝好的數(shù)據(jù)通過idigidata.send_to_idigi（）函數(shù)送至設備云，主要程序如下，其中參數(shù)upload_data 為上一步封裝為XML的數(shù)據(jù)。

status， number， error_msg = idigidata.send_to_idigi（upload_data， “DataPoint/stream_0703dxc.xml”）

DataPoint/stream_0703dxc.xml是事先在設備云建立的數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)最終保存到該文件下。

至此，傳感器所在環(huán)境的數(shù)據(jù)已采集完畢并上傳到設備云，可在設備云上直接查看。

2.2 移動客戶端應用的設計與實現(xiàn)

基于安卓的移動客戶端設計主要分為五個模塊，分別為用戶登錄模塊，燈泡控制模塊，燈泡顯示模塊，T/H/L顯示模塊以及系統(tǒng)信息模塊，其框架如圖3所示。

關于移動客戶端的UI設計以簡潔明了為主旨，設計了監(jiān)測模式和控制模式。在監(jiān)測模式下，三個位置的現(xiàn)場都將在同一個頁面展現(xiàn)；在控制模式下，可以選擇和切換不同位置。圖4所示為客戶端UI圖。

3 實驗結果

系統(tǒng)運行效果如圖5所示，各傳感器所在地的相關環(huán)境信息都展現(xiàn)在App上，同時可通過App打開燈泡。

可在設備云的數(shù)據(jù)服務窗口查看各類參數(shù)的走勢。圖6所示為最近一周的溫度走勢圖。

通過實驗證明，此系統(tǒng)實現(xiàn)了對傳感器所在環(huán)境的溫度、濕度和光強的監(jiān)測，也實現(xiàn)了對開關的控制，并可將監(jiān)控結果友好地展現(xiàn)在移動終端。

4 結 語

本文利用DIGI公司生產(chǎn)的XBee系列產(chǎn)品搭建起了基本的硬件平臺，通過設計并部署物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關應用程序，成功將廣州大學城，廣州五山和惠州廣工大研究院三個不同位置的環(huán)境信息上傳到設備云端；設計的基于安卓的移動App通過調用設備云提供的API，實現(xiàn)了對三個位置的環(huán)境信息的監(jiān)測以及對燈泡亮滅的控制。該系統(tǒng)將一個完整的物聯(lián)網(wǎng)基礎架構成功應用在實際中。未來的主要工作是在設備的安全性以及信息的互通性方面進行優(yōu)化，以適應更加多變的環(huán)境，滿足更加復雜的需求。在傳輸方式的選擇上，可以考慮低功耗廣域網(wǎng)。

參考文獻

[1]丁天明.基于RFID技術的物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代物流領域的應用[J].中國物流與采購， 2011（4）：54-55.

[2] Columbus L. Roundup Of Internet of Things Forecasts And Market Estimates，2015[Z]. Forbes， December， 2015， 27.

[3] Gubbi J， Buyya R， Marusic S， et al. Internet of Things （IoT）： A vision， architectural elements， and future directions[J].Future generation computer systems，2013，29（7）： 1645-1660.

[4]孫利民，沈杰，朱紅松.從云計算到海計算：論物聯(lián)網(wǎng)的體系結構[J].中興通訊技術，2011，17（1）：3-7.

[5]張建勛，古志民，鄭超.云計算研究進展綜述[J].計算機應用研究.2010，27（2）：429-433.

[6]車楠，劉勝輝.物聯(lián)網(wǎng)技術原理及實現(xiàn)—AnduiBee 開源物聯(lián)網(wǎng)解決路線[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[7]汪永鵬. 物聯(lián)網(wǎng)感知層智能網(wǎng)關及開放服務接口的研究與實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學， 2013.

[8] Digi. iDigi Device Cloud - Application Platform for Device Networks.datasheet[EB/OL]. http：//www.digi.com/pdf/dsidigidevicecloud.pdf， Jan 2012.

[9]陳斌.云計算在物聯(lián)網(wǎng)中的作用[J].中國防偽報道.2012（1）：52-54.

[10]曹龍，劉煒，曾力.基于Qt on Android平臺的空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)手機客戶端設計[J].電子技術與軟件工程，2017（2）：56-57.