基于物聯(lián)網(wǎng)的智能天氣識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭博培，李 媛

（北京聯(lián)合大學(xué) 機(jī)器人學(xué)院，北京 100020）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)智能家電使用量不斷增加[1]。但目前智能家電的數(shù)據(jù)（天氣數(shù)據(jù)等）獲取形式較為單一[2]，均通過網(wǎng)絡(luò)獲取。鑒于地域天氣多變且范圍廣[3]，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存在精度不高的缺陷。基于此，本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能天氣識(shí)別系統(tǒng)，可獲取當(dāng)前小范圍地區(qū)較精確的天氣信息，并提高智能家電決策效果，降低數(shù)據(jù)請(qǐng)求成本，更好服務(wù)于用戶。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能天氣識(shí)別系統(tǒng)包括溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線傳輸系統(tǒng)、上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

1.1 溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由DS18B20測(cè)溫模塊、DHT11濕度采集模塊組成。溫濕度傳感器連接Arduino UNO開發(fā)板的數(shù)字量和模擬量輸入端口。Arduino UNO是一款基于ATmega328P的微控制器開發(fā)板[4-5]，擁有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6個(gè)可用作PWM輸出），6個(gè)模擬輸入引腳，及16 MHz晶振時(shí)鐘、USB接口、電源插孔、ICSP接頭和復(fù)位按鈕。

DS18B20測(cè)溫模塊[6]的測(cè)溫原理如圖1所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響較小，所產(chǎn)生的固定頻率脈沖信號(hào)輸送到減法計(jì)數(shù)器；高溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響變化較大，所產(chǎn)生的信號(hào)作為減法計(jì)數(shù)器的脈沖輸入。此外，圖中還隱含有計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20會(huì)對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的固定頻率脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，完成溫度測(cè)量。

DHT11的核心部件是濕敏電阻。當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，DHT11的電子元件電阻率和電阻值發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。

1.2 信息傳輸系統(tǒng)

信息傳輸系統(tǒng)采用ZigBee協(xié)議搭建無線傳感網(wǎng)[7]。CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案[8-9]，包含RF收發(fā)器、標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051 CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 KB RAM等功能部件，能夠以較低的材料成本建立起超強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

本系統(tǒng)將Arduino UNO開發(fā)板與ZigBee模塊通過串口連接，作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的傳感器節(jié)點(diǎn)。Arduino UNO開發(fā)板采集天氣信息并處理后，通過串口傳送給CC2530模塊，CC2530模塊將溫濕度數(shù)據(jù)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。USB接口與PC機(jī)連接，將接收的傳感器節(jié)點(diǎn)溫度、濕度信息通過串口發(fā)送給上位機(jī)系統(tǒng)。

1.3 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

上位機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的硬件設(shè)備可采用PC機(jī)或工控機(jī)。PC機(jī)、工控機(jī)均可通過USB口轉(zhuǎn)串口接收協(xié)調(diào)器的溫濕度信息，并應(yīng)用Scikit-learn模型進(jìn)行當(dāng)前天氣狀況的識(shí)別。此外，PC機(jī)和工控機(jī)還可生成當(dāng)日、當(dāng)月天氣數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表并打印，便于使用者對(duì)天氣情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能天氣識(shí)別系統(tǒng)軟件分為傳感器信息采集軟件、無線通信軟件、信息處理軟件（天氣識(shí)別軟件）。

2.1 傳感器信息采集軟件

傳感器信息采集軟件使用Arduino IDE編程語言開發(fā)[8]。由于溫濕度均為慢變參數(shù)，因此設(shè)定程序采樣周期為5 s；Arduino串口通信速率設(shè)置為9 600 b/s，Arduino通過串口將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給CC2530芯片。

程序通過導(dǎo)入Arduino資源包，引用DHT11庫函數(shù)，以便在程序中調(diào)用相關(guān)參數(shù)。

#include

#include

定義引腳，將1 wire數(shù)據(jù)總線與IO4連接；定義溫度、濕度引腳為2號(hào)引腳，并實(shí)例化一個(gè)對(duì)象。

#define ONE_WIRE_BUS 4

#define DHT11PIN 2

dht11 DHT11

Arduino數(shù)據(jù)采集及傳輸流程如圖2所示。

圖2 Arduino數(shù)據(jù)采集及傳輸流程

2.2 無線通信

無線通信軟件包括協(xié)調(diào)器軟件和傳感器節(jié)點(diǎn)軟件。

2.2.1 協(xié)調(diào)器程序

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建無線傳感網(wǎng)，并接收傳感器節(jié)點(diǎn)信息，通過USB接口將信息傳輸給PC機(jī)。協(xié)調(diào)器程序流程如圖3所示。

2.2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)程序

CC2530模塊通過串口接收Arduino采集的數(shù)據(jù)信息，并通過無線網(wǎng)傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程如圖4所示。

2.3 信息處理軟件

協(xié)調(diào)器通過RS 232串行協(xié)議通信方式將天氣信息數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，PC機(jī)將通過串口小程序接收的溫度、濕度數(shù)據(jù)存入MySQL數(shù)據(jù)庫。保存到MySQL數(shù)據(jù)庫的部分溫度、濕度數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖3 協(xié)調(diào)器程序流程

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程

2.3.1 信息數(shù)據(jù)清洗與數(shù)據(jù)標(biāo)注

（1）信息數(shù)據(jù)清洗

鑒于采集的天氣信息數(shù)據(jù)龐大（每天可收集17 280條數(shù)據(jù)），且一天之中天氣不會(huì)發(fā)生跳變，故本文采用Python對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[10]，去掉重復(fù)數(shù)據(jù)。SQL去重語句為：

SELECT id，temputer，humidity，updata_time FROM table1 GROUP BY temputer，humidity。

經(jīng)去重處理，所采集的天氣信息數(shù)據(jù)減少到2 290條。去重后的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖6所示。

為使模型效果更好，本文采用數(shù)據(jù)增強(qiáng)策略，即對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)（溫度±1 ℃、濕度±5%RH）處理后，再進(jìn)行一次數(shù)據(jù)清洗，最終得到含有800個(gè)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集。

（2）數(shù)據(jù)標(biāo)注

溫濕度信息數(shù)據(jù)清洗之后，根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)間，及時(shí)間所對(duì)應(yīng)天氣情況對(duì)其標(biāo)注，即在收集溫度、濕度數(shù)據(jù)的同時(shí)記錄每個(gè)時(shí)間段的天氣情況。如：某時(shí)間段下雨，則標(biāo)注Rainy；如果為雨后天晴，則標(biāo)注Sunny。天氣標(biāo)注數(shù)據(jù)主要通過中國(guó)天氣網(wǎng)獲取。從中國(guó)天氣網(wǎng)獲取的部分天氣數(shù)據(jù)如圖7所示，獲取的數(shù)據(jù)中包含溫濕度數(shù)據(jù)及天氣情況，可作為標(biāo)注好的數(shù)據(jù)直接使用。

2.3.2 構(gòu)建SVM分類器并訓(xùn)練模型

構(gòu)建SVM分類器，即支持向量機(jī)。它是Scikit-learn中一組支持分類、回歸、異常值檢測(cè)的監(jiān)督學(xué)習(xí)方法。本系統(tǒng)采用SVM的fit（x，y）方法，只需要輸入數(shù)據(jù)集x和x對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽y即可。

構(gòu)建SVM分類器的程序框架如圖8所示。

圖8 構(gòu)建SVM分類器的程序框架

訓(xùn)練所使用數(shù)據(jù)包含4個(gè)標(biāo)簽，即Sunny、Cloudy、Rainy、Snowy。為便于數(shù)據(jù)加載，通過以下程序?qū)?biāo)簽轉(zhuǎn)換成數(shù)值：

def weather_type（s）：

weather = {b'Sunny'：0, b'Cloudy'：1, b'Rainy'：2, b'Snowy'：3}

return weather[s]

運(yùn)行的部分訓(xùn)練數(shù)據(jù)見表1所列。

3 結(jié) 語

智能天氣識(shí)別系統(tǒng)對(duì)作者所在地區(qū)的天氣信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，用訓(xùn)練好的模型進(jìn)行天氣識(shí)別，將得到的模型輸出結(jié)果與當(dāng)時(shí)的天氣相比對(duì)，發(fā)現(xiàn)多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果良好。實(shí)驗(yàn)效果如圖9所示。

表1 運(yùn)行的部分訓(xùn)練數(shù)據(jù)

圖9 實(shí)驗(yàn)效果

智能天氣識(shí)別系統(tǒng)可獲取所在地區(qū)較精確的天氣信息，便于智能家居提高決策效率，降低數(shù)據(jù)請(qǐng)求成本，應(yīng)用前景廣闊。