基于OneNET云平臺的室內環境監測系統

薛鴻民 王煒卓

摘?要：隨著物聯網、區塊鏈、大數據和人工智能的發展，環境監測行業迅猛發展。但目前很多環境基礎設施依舊存在簡陋、陳舊，且缺乏現代化的缺憾。為了更加高效精準地獲取當前室內環境的各類信息，實現環境信息精準監測，我們設計了一種基于OneNET云平臺的室內環境監測系統。該系統采用ZigBee開發板，以CC2530芯片作為數據處理的核心，實現數據的無線傳輸，并通過智能感知、存儲以及計算與室內環境的多維度數據融合技術，實現了基于多源感知節點的室內環境智能監測與自動控制等功能。

關鍵詞：物聯網??室內環境監測??OneNET云平臺??ZigBee無線通信

中圖分類號：X924?????文獻標識碼：A

The?Indoor?Environmental?Monitoring?System?Based?on?the?OneNET?Cloud?Platform

XUE?Hongmin??WANG?Weizhuo

（School?of?Information?Engineering，Shaanxi?Xueqian?Normal?University，Xian?，Shaanxi?Province，710100?China）

Abstract：?With?the?development?of?Internet?of?Things，?blockchain，?big?data?and?artificial?intelligence，?the?environmental?monitoring?industry?is?booming.?However，?at?present，?lots?of?environmental?infrastructure?has?the?regret?of?simplicity，?oldness?and?lacking?modernization.?In?order?to?obtain?more?efficiently?and?accurately?all?kinds?of?information?of?the?current?indoor?environment，?and?achieve?the?accurate?monitoring?of?environmental?information，?we?design?a?kind?of?indoor?environmental?monitoring?system?based?on?the?OneNET?cloud?platform.?This?system?adopts?the?ZigBee?development?board，?takes?the?CC2530?chip?as?the?core?of?data?processing?to?realize?the?wireless?transmission?of?data，?and?realizes?the?intelligent?monitoring?and?automatic?control?of?indoor?environment?based?on?multi-source?perception?nodes?through?the?technologies?of?intelligent?perception?and?storage，?and?the?multi-dimensional?data?fusion?of?computation?and?indoor?environment.

Key?Words：?Internet?of?Things;?Indoor?environmental?monitoring;?OneNET?cloud?platform；ZigBee?wireless?communication

隨著科技的不斷發展，人們對生活質量有著高品質的要求，智能化環境監測系統也應運而生，涉及有居住環境的監測、農業種植的監測，或是畜牧業養殖環境的監測等諸多領域。該系統能夠更加精準地監測室內環境中的各項數據，集成對環境信息的智能感知，數據的采集與轉換以及無線傳輸和智能分析與處理的自動化模式，便于用戶的可視化操作。室內環境中的溫濕度、光照強度、有害氣體濃度等參數是十分重要的影響因素，因此對這些因素進行實時監測以及數據分析具有重要作用。

該系統設計出一種基于OneNET物聯網云平臺系統，結合ZigBee自組網和Wi-Fi通信模塊實現了對室內環境數據的實時監測以及設備的遠程控制，相較于以往的監測與控制系統更加高效、精準、節能[1]。

1?系統總體設計

基于OneNET云平臺的室內環境監測系統綜合了傳感器技術、嵌入式技術、ZigBee無線通信技術、云計算等智能控制技術[2]。通過ZigBee設備驅動終端上的溫濕度傳感器、光敏電阻及有害氣體傳感器，對室內的各項信息進行實時監測、感知與數據采集，并發送至ZigBee協調器設備，并以自組多跳的方式傳輸至用戶電腦端。采集的主要數據有：光照的強弱變化、有害氣體侵入、溫濕度的躍變等。利用無線采集終端傳感節點將采集到的各項信息發送至ZigBee協調器設備，由協調器設備將數據通過Wi-Fi模塊實現串口通信并塊送到中國移動OneNET云平臺數據服務器，用戶使用連接網絡的移動終端設備登錄OneNET管理平臺就可以查看室內的環境監測數據以及下發控制設備命令[3]。系統整體設計結構圖如圖1所示。

2?硬件設計

2.1?傳感器模塊

傳感器模塊包括溫濕度傳感器、光敏電阻和有害氣體傳感器。溫濕度傳感器（DHT11）是一款含有已校準數字信號輸出的復合傳感器，該傳感器利用溫（濕）敏元件的電氣特性隨溫濕度的變化而變化的原理進行溫濕度測量，具有體積小、功耗低，超快響應、抗干擾能力強、連接方便等優點；光敏電阻（GM5516）是一種半導體材料制成的電阻，其電導率隨著光照強度的變化而變化，具有靈敏度高、反應速度快、光譜特性及r值一致性好等特點；有害氣體傳感器（MQ-135）在較寬的濃度范圍內對有害氣體有良好的靈敏度，對氨氣、硫化物、苯系蒸汽，煙霧和其他有害氣體的監測十分理想。

2.2?ZigBee控制模塊

gai系統以ZigBee的終端節點和協調器節點組成無線傳感網絡，Zigbee無線通信技術以Z-stack協議棧為基礎，用戶在開發時只需要調用API接口即可實現操作。終端節點通過點對點發送函數，使用協議棧定時發送功能進行數據傳輸，將數據發送給協調器。微控制器采用cc2530芯片，支持片上系統SoC解決方案，遵循IEEE?802.15.4標準，射頻收發器為2.4?GHz，具有256KB可編程閃存以及21個可編程I/O引腳[4]。

將基于ZigBee芯片的智能硬件模塊嵌入室內環境中，從而構建具有無線通信的智能控制設備。室內環境監測系統具有遠程控制和自動控制兩種模式，由全功能協調器創建網絡并協助建立網絡中的安全層和應用層的綁定，終端設備加入網絡后在協調器與終端節點之間建立綁定連接，綁定成功后終端節點開始采集數據[5]。網絡中的各傳感器節點將采集到的數據發送到Zigbee協調器上，協調器通過特定的API接口將數據發送給網關，隨后由Wi-Fi模塊上傳至OneNET云平臺，用戶可通過PC端實現數據的實時查看以及設備的自動控制。協調器與終端設備的交互流程如圖2所示。

2.3?Wi-Fi模塊

Wi-Fi屬于物聯網傳輸層，是建立網絡連接和通信的手段，它對應一套通信的規則，保證讓兩個節點能互相連接，設備建立連接后，通過TCP/IP和UDP等協議，傳輸數據，建立網絡通信連接。與傳統的網絡通信技術相比，Wi-Fi具有覆蓋范圍廣、傳輸速度快、組網簡單、安全性高等優點。

本系統選用ESP8266（AP+Station模式）低功耗Wi-Fi模塊，通過smartconfig通信協議，使用在同一Wi-Fi下建立局域網，路由器Wi-Fi與ESP8266串口進行通信配置，使用Lua腳本語言添加值數據點到table中、將table序列化成json字符串、解析設備上傳數據、接入私有協議私有協議0x5A?0x5A?LEN?CMD?PAYLOAD?0xA5，添加應用，綁定到對應的設備，實現了手機端和電腦端的遠程控制。

3?軟件設計

3.1?串口通信界面設計

界面設計采用C#語言開發電腦端App，App電腦控制界面是通過UART串口和硬件模塊進行基礎通信的，其中UART庫函數判斷click按鍵事件的發送，根據鍵值判斷所發送的數據，打包命令并發送至硬件，完成整個硬件的控制與數據可視化部分。

3.2?云平臺界面設計

本系統上位機基于中國移動OneNET云平臺實現。OneNET云平臺操作簡單，設計內容豐富，可以按照自己的需求自定義軟件設計界面。用戶登錄ONENET平臺，進入開發者中心，選擇公共協議產品，即可創建自己的產品。在設備管理中上傳解析腳本，發送登錄報文到OneNET接入服務器進行鑒權，即可登錄成功。在界面上設置傳感器觸發條件，當數據達到閾值條件時，觸發器觸發，則OneNET云平臺向綁定的通訊設備發送觸發提醒，可以實現自動控制設備的功能[6]。OneNET云平臺用戶控制界面如圖3所示。

4?系統測試與分析

本系統在測試時分為手動功能的測試、云平臺功能的測試、自動補光功能的測試、自動通風換氣功能的測試這4個部分，具體如表1～表4所示。

綜合表1～表4可知：在任意狀態下，手動控制功能、云平臺控制功能、自動補光與通風換氣皆可響應操作。故而整個室內環境監測系統設計的測試結果符合功能的需求。

5?結語

本系統以ZigBee?cc2530為核心，利用無線通信和OneNET云平臺的特性，設計出一套基于OneNET云平臺的室內環境監測系統，通過多種傳感器的協調工作進行室內環境的實時監測，可以讓用戶隨時查看監測數據，遠程控制設備，監控整個室內環境，構建智能室內環境監測系統。

參考文獻

[1]?宋俊慷，黃秀梅，楊秀增.物聯網開放平臺在智慧農業監測系統中的應用[J].農村經濟與科技，2020（18）：89-?91.

[2]?曲欣宇，趙德群，武歷祺，等.基于云平臺的植物工廠智能控制系統的設計與實現[J]國外電子測量技術，2020，39（7）：115-120.

[3]?朱兆豐，劉靜琦，周振虎，等.基于?STM32?的室內環境監測系統設計[J].物聯網技術，2021（6）：6-9.

[4]?劉飛飛，徐隆姬，馬禮然.基于?Zig，Bee?的分布式農業環境監測系統設計[J]傳感器與微系統，2021，40（3）：90-92.

[5]?張啟龍，陳湘萍.?OneNET云平臺WiFi遠程控制的智能家居系統［J］.現代電子技術2020，43（14）：25-29.

[6]?丁飛，吳飛，艾成萬，等.基于OneNET平臺的環境監測系統設計與實現[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2018，38（4）：28-33.