基于物聯網的室內數據采集監控系統

任克強，王傳強

(江西理工大學 信息工程學院，江西 贛州 341000)

1 引 言

物聯網技術作為信息科技產業的第三次革命，在傳感器技術和嵌入式技術的支撐下，以其易于結合、容錯率高、易于部署、易于增減傳感器節點、執行效率和速率高等技術優勢[1-2]，已經應用在智能家居等諸多領域[3-7]。本文將物聯網用于智能監控領域，用以解決室內多點數據采集與智能監控問題。

目前用于家庭的物聯網控制系統的功能比較單一，大部分都是人為發布指令被動的控制系統，無法根據采集的數據主動控制，而且必須是在網絡連接正常的前提下，一旦斷網，將無法控制系統工作，無法實時監測家庭安全狀況。可見目前的智能控制系統有自身的局限性，不適合所有家庭的使用。

本文設計了一種將智能監控與物聯網相結合并加入萬年歷顯示功能的室內數據采集與監控系統，通過WIFI和LORA進行組網[8-9]，實現對數據的采集、上傳、顯示和設備的控制，同時獲取網絡時間或者本地時間，用于萬年歷走時。整個系統并不完全依賴于互聯網，在網絡斷開的情況下，系統將通過LORA模塊組網通信，主控制器自動完成數據采集與控制，并自動切換時間獲取通道，讀取時鐘芯片時間數據，但數據將無法上傳到云服務器。無論何種狀態下，系統都將異常數據保存到FLASH，便于查詢和分析。

2 系統組成

整個系統拓撲結構如圖1所示。目前市場上的智能控制系統大部分都是采用一對一的模式，本文設計采用了一對多和多對多的模式，即一個主控制器可以控制多個網絡節點，一個網絡節點可以控制多個傳感器和設備。可實現節點與傳感器大規模的部署。

整個數據采集監控系統主要由總控制端、數據采集端和云服務器端組成。本設計的重點在于實現云下與云下設備、云上與云下設備的互聯互通。如圖1所示，每個節點都集成一塊處理器，用來處理傳感器采集的數據和下發指令到控制器件。從節點和主控制器節點之間通過LORA組網，實現廣播監聽的連接模式，通過LORA協議和自定義的數據傳輸格式，可準確實現數據的采集和控制指令的下發，協議只需配置一次將自動保存到FLASH，開機自動讀取配置信息。主控制器和云上設備通過Internet網絡實現了數據間的上傳和下發，主控制器定時發送心跳包到云端設備，云上設備可以實時監測主控制器的連接狀態，具有斷網自動連接云上設備的功能。

圖1 系統拓撲結構

3 系統硬件設計

本系統硬件設計以Cortex-M3內核的STM32F103為核心處理器，外圍配備電源電路、無線通信設備、顯示設備、傳感器和控制器等，實現了數據的采集、上傳、控制和時間獲取等功能。其中時間數據不僅用來作為萬年歷時間，也作為整個系統的時基信號，記錄異常數據的時間并存儲到本地的FLASH中。系統的硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

處理器：Cortex-M3內核的STM32F103處理器，時鐘頻率可達72 MHz，屬于ARMv7的架構，具有較為豐富的外設接口，可以滿足多個傳感器接入的需求[10-12]，具有先進的體系和架構，滿足本系統對處理器的需求。

電源電路：整個系統需要用到+3.3，+5，+9 V多種不同的電源。因此采用+12 V電壓輸入，再經過穩壓電路，將+12 V電壓穩壓在+3.3，+5，+9 V。

無線通信設備：本文中無線通信設備用到了WIFI模塊和LORA模塊。WIFI模塊內置無線網絡協議IEEE802.11b.g.n以及TCP/IP協議，利用相關API，可輕松入網。LORA是一種局域網無線標準，具有使用功耗低、傳輸距離遠、多種通信方式可選擇等特點。LORA通過擴頻通信技術增加信號帶寬降低對信噪比的要求，提高抗干擾能力，通過RF射頻技術和LoRaWAN技術進行數據傳輸，使得數據傳輸距離更遠，可達3 000 m以上，可以滿足數據在室內傳輸的需求。本設計選用廣播監聽的傳輸模式進行數據傳輸。

傳感器與控制設備：可選用不同類型的傳感器和控制器件，以滿足不同環境下的需求，也可以根據需要增加和減少傳感器和控制器件的數量。比如，可將溫濕度傳感器部署于臥室，將氣敏傳感器部署于廚房，將環境監測傳感器部署于門外等。為了對系統進行功能測試，選用AM2302溫濕度傳感器、MQ-4氣敏傳感器和繼電器作為測試元件。AM2302溫濕度傳感器具有溫濕度轉換時間快，抗干擾能力強，精度高等特點。溫度測量區間為-40～+80 ℃，濕度測量區間為0～99.9%RH，適合監測我國全部地區的室內溫濕度。MQ-4氣敏傳感器可監測多種可燃氣體，可部署在廚房實時進行監測，提前預警，提前控制，防止危險事故發生。

顯示設備：顯示設備選用液晶顯示屏，用于顯示獲取的時間信息、節點信息和設備運行狀況等，作為本地人機交互端，可以方便觀察整個系統的運行狀況，查看傳感器采集的數據，查詢歷史數據等。而且，硬件預留多種屏幕接口，可根據需要更換顯示設備。

4 系統軟件設計

本系統的軟件設計主要有Internet網絡端、主控制器端和無線節點端。Internet網絡端采用Ai-Thinker-IDE進行編程開發配合主流的網絡云平臺搭建服務器。其余部分采用Keil uVision5進行編程開發。兩種開發環境和云平臺配合使用，在很大程度上提高了程序編寫效率。編譯器本身自帶仿真功能，節約了開發時間，在一定程度上可幫助提高程序的穩定性和可靠性。

圖3 系統軟件流程圖

系統上電，各個模塊自動調用模塊配置函數進行相關系統配置。完成系統配置后，進入網絡連接處理函數。聯網前，自動讀取FLASH記錄的已連接的網絡數據，自動對比WIFI模塊搜索到的網絡數據。若記錄的數據和WIFI模塊搜索到的數據一致，則直接連接到網絡；若不一致，則會進入手動配置網絡函數，人為選擇是否進行網絡連接。主控制器和節點之間傳輸通信指令，確認LORA模塊是否能夠正常通信。在確認通信正常后，主節點通過判斷從節點上傳的數據是否存在異常，決定是否下發控制指令到從節點。一旦存在異常數據，主節點可以很快下發控制指令到異常節點，并將異常數據記錄到FLASH中。之后將數據上傳到云端服務器和顯示在液晶屏。液晶屏顯示的數據通過翻頁的方式進行交替顯示，可設置為手動遙控翻頁或自動翻頁。系統軟件流程圖如圖3所示。

4.1 節點通信程序設計

對LORA節點地址設置，主節點地址設置為0XFFFF，使得主節點處于廣播監聽模式。此模式下主節點發送的數據可以被其他相同速率和相同信道的節點接收，同時主節點也可以接收其他相同速率和相同信道節點的數據。節點分布如圖4所示。A為主節點，其余為從節點。

圖4 節點分布

廣播監聽模式并不能滿足數據傳輸過程中的所有要求，此模式下主節點雖然可以收到所有節點傳回來的數據，但卻無法判斷出是哪個節點傳回的數據，容易造成數據的混亂，無法準確控制異常節點。

因此，為了克服LORA在廣播模式下對節點識別不足的問題，本文在原有的通信基礎上增加了新的數據傳輸格式，對原有的協議進行擴充改進，傳輸時序如圖5所示。圖5中的8位從節點地址和主控制器節點地址是人為分配的，用作自身的識別地址，其中圖5(a)和圖5(b)為主控制器節點接收從節點數據以及對數據進行解析時序，數據解析格式如表1所示；圖5(c)和圖5(d)為主控制器下發控制指令至從節點以及從節點進行指令碼解析時序，指令碼格式如表2所示。在此通信格式下，理論上每個從節點可以級聯4 096個控制設備。校驗位=(主控制器地址+從節點地址)&0xFF。

(a) 主節點接收數據(a) Master node receives data

(b) 主節點解析數據(b) Host node parses data

(c) 主節點下發控制指令(c)Master node sends control instructions

(d) 從節點解析指令(d)Slave node resolve instructions

表1 數據格式

表2 指令碼定義

LORA模塊本身自帶CSMA/CA機制，在數據發送前先檢測其他節點是否處于忙狀態，如果忙則等待，如果處于非忙狀態則會立即發送。但是，這種機制不能確保數據完全不會沖突。為了降低這種風險，在數據發送時，首先對數據在0～50 ms進行隨機延時發送，根據LORA模塊空中傳輸速率19 200 bit/s，則傳輸一個64 bit的數據只需要大約3.33 ms，因此，隨機間隔可以設為5 ms，即在0～50間隨機產生間隔為5的數據，用于延時。時間范圍可根據節點數量擴大或減少。

4.2 Internet網絡連接程序

云下設備與云上設備實現互聯，可通過調用API接口實現。首先需要設置WIFI模式、定時器回調函數等系統參數，然后對網絡連接參數進行賦值：客戶端標識、MQTT用戶名和MQTT秘鑰，接著調用MQTT相關API進行配置，最后調用網絡連接API進行網絡連接。

4.3 數據采集與控制程序設計

數據采集和控制可根據需求接入不同類型的傳感器。本文為了測試系統的可行性，使用溫濕度傳感器、氣敏傳感器和繼電器進行測試。微處理器利用定時器中斷在一定的時間間隔內循環調用不同傳感器采集數據函數，進行數據的處理、上傳至主控制器。實時監聽主控制器節點下發的指令，完成對設備的控制。

5 系統應用測試

圖6 系統運行界面

圖6為系統運行界面，圖6(a)是數據監控信息顯示，對從節點上傳的數據進行顯示和實時監控；圖6(b)是萬年歷顯示，除基本的顯示外，增加了農歷日期顯示、鬧鐘和定時功能；圖6(c)是功能和設置界面，可通過紅外遙控或板載按鍵進行功能設置。界面之間的切換方式可選擇手動方式或自動方式。

為了更好地測試整個系統的實時性，在距離50 m并且有障礙物的情況下對一個64 bit的數據多次進行發送和接收測試，測試結果如圖7所示。其中，低電平表示節點處于接收狀態，高電平表示節點處于發送狀態。在圖7中，Channel 0為主節點通道，Channel 1，Channel 2，Channel 3是從節點通道。從圖7中可以看出，主節點從開始接收數據到完成對從節點的控制指令的下發，整個過程時間在0.35 s內，能較快地對異常情況做出響應。

圖7 數據傳輸時間采集圖

主控制器會把采集到節點的數據實時上傳到網絡云平臺，可實現隨時隨地觀察室內情況。云端采集數據如圖8所示。

圖8 云端采集數據

6 結 論

本文結合物聯網技術，設計了一種基于物聯網的室內數據采集監控系統。經過實驗測試，系統可在0.35 s內可準確地對室內多點數據進行監測和數據上傳，證明了系統的實時性和準確性。為了適應不同用戶的需求，可增加或減少節點數量，具有較好的可剪裁性。由于系統具有較好的實時性、準確性和可剪裁性，在智能監控領域有著較好的應用前景。