梁雪輝,，許芬,，吳潤州
（北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,，北京 100144）
摘要：伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,，傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線通信,、嵌入式智能設(shè)備和大數(shù)據(jù)在智能家居上的結(jié)合正在成為一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢,。針對傳統(tǒng)C/S(Client/Server)架構(gòu)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測困難、系統(tǒng)安裝復(fù)雜,、系統(tǒng)平臺要求較高,、后期維護(hù)成本高等缺點(diǎn)，提出了一種基于B/S（Browser/Server）架構(gòu)的家居環(huán)境無線遠(yuǎn)程監(jiān)測方案,，設(shè)計(jì)了一套用于多個(gè)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測并通過ZigBee低功耗局域網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行無線傳輸?shù)倪h(yuǎn)程家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),。用戶可以從移動(dòng)端或PC端通過網(wǎng)頁直接查看多個(gè)房間內(nèi)的溫度、濕度,、PM2.5濃度,、甲醛濃度、CO濃度等空氣狀態(tài)信息,。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)功耗低,、成本低、結(jié)構(gòu)簡單,、安裝方便,。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；B/S架構(gòu),；智能家居,；遠(yuǎn)程監(jiān)測
中圖分類號：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.029
引用格式：梁雪輝，許芬,，吳潤州.基于B/S架構(gòu)的家居環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,，2017,36（8）：92-94.
0引言
“互聯(lián)網(wǎng)+”和“工業(yè)4.0”概念的提出，大大促進(jìn)了工業(yè),、農(nóng)業(yè),、家居,、物流、服務(wù),、環(huán)保等各個(gè)行業(yè)與網(wǎng)絡(luò)的融合,。人、物,、環(huán)境之間的互聯(lián)互通已成為工業(yè)4.0時(shí)代的一個(gè)特征,，并正在逐漸延伸成為人類社會(huì)活動(dòng)的基石。作為其中一環(huán),，環(huán)境信息的監(jiān)測,、采集和網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)發(fā)布就顯得愈加重要。實(shí)時(shí),、準(zhǔn)確地提供特定時(shí)間,、特定位置的環(huán)境參數(shù)信息是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的重要一環(huán)，這些信息的提供將對環(huán)境管理,、環(huán)保監(jiān)測,、污染源控制、公共活動(dòng),、室內(nèi)安全,、交通管理、公共安全等很多領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響,。隨著傳感器制造成本的下降和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟,，越來多的行業(yè)開始提供實(shí)時(shí)信息服務(wù)［1］。
隨著遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)用場景的不斷擴(kuò)大,工業(yè)需求和商業(yè)需求的不斷增加,，促進(jìn)了國內(nèi)外學(xué)者在這個(gè)領(lǐng)域不斷進(jìn)行探索和研究,。
國內(nèi)，上海電力學(xué)院的楊俊杰博士研究了無人值守變電站周界光電一體化安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)［2］,，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)樊志平博士研究了柑橘園土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［3］,，武漢科技大學(xué)余湧研究了一種遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［4］，國礦業(yè)大學(xué)的寧芳副教授研究了基于UCD的智能家居控制系統(tǒng)界面交互設(shè)計(jì)［5］,，重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院胡向東研究了面向智能家居的輕量型互認(rèn)證協(xié)議［6］等,。
國外，密西根大學(xué)FERNANDES E等人對新興的智能家居平臺的安全進(jìn)行了深入的分析,，特別是針對三星的SmartThings設(shè)備提出了一些解決方案［7］,。
1系統(tǒng)總體方案
目前智能家居市場沒有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議規(guī)范，而且對于大眾用戶來說智能監(jiān)測不是強(qiáng)需求,。本文設(shè)計(jì)的模塊主要從低功耗和低成本兩個(gè)方面著手,，面向一般普通用戶。低功耗采用的措施是利用TI的超低功耗MSP430F5438A處理器和CC2530模塊；低成本主要是在傳感器選型上采用市場上常見的經(jīng)過市場檢驗(yàn)過的一些性價(jià)比比較高的傳感器,。由于市場上沒有統(tǒng)一的接口定義,，本模塊采用最常用的無線串口協(xié)議，利于與其他模塊之間進(jìn)行通信,。系統(tǒng)主要采用多對一設(shè)計(jì)模式,，“多”指的是可以部署多個(gè)檢測節(jié)點(diǎn)，“一”指的是只有一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)［8］,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。系統(tǒng)的檢測節(jié)點(diǎn)能夠?qū)Ξ?dāng)前的環(huán)境溫度、濕度,、空氣中顆粒物濃度，一氧化碳濃度和甲醛濃度信息實(shí)時(shí)采集和將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn),，同時(shí)在檢測節(jié)點(diǎn)上設(shè)有超標(biāo)報(bào)警裝置,，一旦超過預(yù)設(shè)值模塊就立即報(bào)警。系統(tǒng)的管理節(jié)點(diǎn)主要用來對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，并將處理的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫,。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫和Web客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這時(shí)用戶就可以通過網(wǎng)頁查看到數(shù)據(jù)信息,。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是使用的硬件資源較少,，電路工作穩(wěn)定，功耗較低,，并且便于攜帶和安裝,。
2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
硬件系統(tǒng)以超低功耗單片機(jī)MSP430F5438A作為處理器為核心，外圍電路由溫濕度采集模塊（DHT11）,、顯示模塊(12864),、空氣質(zhì)量采集模塊(GP2Y1051)、ZigBee無線傳輸模塊(CC2530),、一氧化碳檢測模塊（MQ7）,、甲醛檢測模塊(MQ138)和報(bào)警電路組成。單片機(jī)對采集到的多路傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)圖2檢測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)行去噪,、轉(zhuǎn)換等簡單處理后,，通過ZigBee無線傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn)（也叫網(wǎng)關(guān)）。管理節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到騰訊云公網(wǎng)服務(wù)器的MySQL數(shù)據(jù)庫,。具體的檢測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
2.1主控芯片
主控芯片選用TI公司的MSP430系列超低功耗微控制器MSP430F5438A，其主要典型特性有：(1）低電源電壓范圍:3.6 V到低至1.8 V;(2）超低功耗：分為工作模式（AM）,、待機(jī)模式(LPM3),、關(guān)閉模式（LPM4）、關(guān)斷模式（LPM4.5），不同的工作模式,，會(huì)對應(yīng)不同的工作電壓和電流,，便于進(jìn)行低功耗處理。
2.2無線傳輸模塊
采用ZigBee低功耗局域網(wǎng)協(xié)議,，多節(jié)點(diǎn)廣播模式進(jìn)行無線串口數(shù)據(jù)的收發(fā)［5］,。
為了保證數(shù)據(jù)傳輸過程中通信更穩(wěn)定，故將波特率設(shè)置為2 400 b/s,。只有當(dāng)采集數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí),，才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)CC2530沒有進(jìn)行接收數(shù)據(jù)時(shí),，為了節(jié)省能源,，CC2530將處于休眠狀態(tài)；當(dāng)采集數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí),，CC2530被喚醒,，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后在檢測節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示,，并通過串口發(fā)送給管理節(jié)點(diǎn),，之后CC2530重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次被喚醒時(shí)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù),，如此循環(huán),。
2.3系統(tǒng)主要模塊介紹
溫濕度采集模塊采用的是DTH11數(shù)字傳感器，已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出,，有極高的可靠性和穩(wěn)定性,，溫度測量范圍為0～50℃，濕度測量范圍為20%RH~90%RH,。
空氣質(zhì)量采集模塊采用夏普的GP2Y1051傳感器,，夏普GP2Y1051是GP2Y1050的升級版本，升級版的PM2.5傳感器取消了之前的模擬輸出方式,，并且將內(nèi)部算法進(jìn)行了微調(diào)集成在傳感器的控制芯片內(nèi),，使用串口進(jìn)行輸出，這樣將會(huì)更加穩(wěn)定,，只需要3根線即可讀取PM2.5的電壓值,。
一氧化碳模塊采用MQ-7傳感器，它的特點(diǎn)是對一氧化碳的靈敏度高,、穩(wěn)定性強(qiáng),、使用壽命長、電信號輸出大,，探測范圍為0.01‰ ppm～1‰ ppm,。
甲醛模塊采用MQ-138傳感器,，對醛、醇,、酮,、芳族化合物具有很高的靈敏度；模擬量輸出隨濃度增加而增加,，濃度越高電壓越高,；探測范圍：甲醛 1～10 ppm。
3軟件設(shè)計(jì)
3.1數(shù)據(jù)采集軟件
軟件主要分為兩部分：一部分是后端檢測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集程序和管理節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理程序,，另一部分是前端Web頁面顯示程序,。兩者之間通過一個(gè)管理節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互傳輸，目前實(shí)驗(yàn)階段采用個(gè)人計(jì)算機(jī)完成管理節(jié)點(diǎn)功能,。
3.1.1后端檢測節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
后端程序主要分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)的采集,、顯示和發(fā)送。圖3為主程序流程圖,。
3.1.2前端WEB頁面顯示程序設(shè)計(jì)
圖4為前端頁面顯示軟件設(shè)計(jì)框架圖,，系統(tǒng)包括瀏覽器端和服務(wù)端兩大部分組成。瀏覽器端用于用戶隨時(shí)隨地查詢到實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù),；服務(wù)器端將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并提供給Web頁面進(jìn)行顯示。
實(shí)時(shí)顯示主要運(yùn)用的是AJAX技術(shù),，是因?yàn)镠TML5的Web Socket技術(shù)剛在市場上使用［9］,。AJAX是使用客戶端腳本與Web服務(wù)器交換數(shù)據(jù)的應(yīng)用開發(fā)方法［10］。配合使用的JQuery是一個(gè)快速,、簡潔,、輕量級的JavaScript庫，它將所有的AJAX操作封裝到一個(gè)函數(shù)中［11］,。
3.2無線通信端軟件設(shè)計(jì)
利用本地計(jì)算機(jī)代替網(wǎng)關(guān)功能,，在本地計(jì)算機(jī)上搭建Python的IDE編譯環(huán)境，利用PySerial包和串口建立連接,，之后將從串口接收到的字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)組的形式,，并分析判斷數(shù)據(jù)是否是想要的數(shù)據(jù)，利用while循環(huán)將接收到的數(shù)據(jù)更新到遠(yuǎn)程服務(wù)器中已經(jīng)建立的MySQL數(shù)據(jù)庫表中,。
遠(yuǎn)程服務(wù)器搭建了Apache Web服務(wù)器,，開放MySQL數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程接口，同時(shí)安裝PHP的IDE環(huán)境,，利用PHP和HTML相互嵌套的方式編寫從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)的程序,，使用HighCharts插件將數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)地顯示在Web頁面上。
3.3數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)
MySQL數(shù)據(jù)庫包含:檢測節(jié)點(diǎn)編號（Number）,、采集數(shù)據(jù)信息（Temperature,，Humidity,，PM2.5，F(xiàn)ormaldehyde, CO）,、檢測節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)（Coordinate）和檢測時(shí)間（Time）,。具體設(shè)計(jì)如表1所示。
3.4整體軟件流程圖
整體軟件設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分:數(shù)據(jù)的接收與存儲(chǔ),、數(shù)據(jù)的讀取,、Web頁面顯示。其中數(shù)據(jù)的讀取和Web界面的顯示是被調(diào)用和調(diào)用的關(guān)系,。具體流程如圖5所示,。
4實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行結(jié)果
系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境如下。
服務(wù)器端：Python2.7.10+MySQL 5.6.17+PHP5.5.12+Apache2.4.9,運(yùn)行環(huán)境:Ubuntu server 14.04.1 LTS 64位,。
開發(fā)工具：PyCharm,，Notepad++。
服務(wù)器是在騰訊云上面申請的云服務(wù)器,，CUP為1核,，內(nèi)存為1 GB,云硬盤為8 GB，公網(wǎng)帶寬為1 Mb/s,。
頁面顯示實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù),，頁面中的數(shù)據(jù)會(huì)隨著讀入的串口數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)改變，這樣串口輸出的數(shù)據(jù)和網(wǎng)頁顯示的數(shù)據(jù)一致,，達(dá)到預(yù)期的實(shí)時(shí)顯示的效果,。
公網(wǎng)IP地址是:115.159.100.208。
5結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的家居環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集和實(shí)時(shí)顯示,。系統(tǒng)可以準(zhǔn)確有效地監(jiān)測家居環(huán)境下的各種空氣質(zhì)量信息,，并實(shí)時(shí)顯示采集到的數(shù)據(jù)，為遠(yuǎn)程監(jiān)測提供了方便快捷的數(shù)據(jù)流服務(wù),。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)顯示方面具有良好的擴(kuò)展性,，可以添加更多的傳感器，也可以選擇顯示更多的信息,，同時(shí)低成本和低功耗是本設(shè)計(jì)最大的亮點(diǎn),。
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