基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的景區(qū)酒店環(huán)境遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

吳琦++張勁弓++劉瑜

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)偏遠(yuǎn)景區(qū)酒店室內(nèi)環(huán)境的有效監(jiān)測(cè)與管理，本文基于物聯(lián)網(wǎng)，采用GPRS數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套景區(qū)酒店環(huán)境遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)能將傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)STM32發(fā)送給GPRS模塊，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至Web服務(wù)器，并運(yùn)用CGI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示報(bào)告功能，從而保證景區(qū)酒店中的淋浴設(shè)施以及其室內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量有效管理與控制，提高酒店服務(wù)質(zhì)量，具有很強(qiáng)的社會(huì)價(jià)值和實(shí)用意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；GPRS數(shù)據(jù)傳輸；STM32；Web服務(wù)器；環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）17-0032-03

Abstract： In order to carry out effective interior environment monitoring and management for the remote scenic hotels， this paper designed a remote wireless environment monitoring system in which GPRS data transmission technology was adopted based on the Internet of things technology. The system can transmit the data collected by sensors installed in the hotels and send to GPRS modules automatically through STM32 equipment， and then exchange the data to Web server through the internet and display the real monitoring results on the screen based on the CGI technology. The application of this system can guarantee the effective management and control for the shower equipment and interior environment air quality in the scenic hotels and improve the hotels service quality greatly for the customers. The system is of great benefit and significance of application.

Key words： the Internet of things technology； GPRS data transmission； STM32； Web sever； environment monitoring and management

1 概述

伴隨信息技術(shù)的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)異軍突起，成為新一輪產(chǎn)業(yè)革命的重要發(fā)展方向和世界產(chǎn)業(yè)格局重構(gòu)的重要推動(dòng)力量。同時(shí)伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，越來(lái)越多的人外出旅游，對(duì)景點(diǎn)酒店住宿環(huán)境也提出了更高的要求。當(dāng)前，一方面國(guó)內(nèi)很多酒店內(nèi)部管理不是很科學(xué)，存在淋浴設(shè)施的水流量浪費(fèi)現(xiàn)象，與國(guó)家推行的“節(jié)能減排，低碳經(jīng)濟(jì)”政策相悖；另一方面，又由于大多數(shù)景區(qū)處于地形復(fù)雜，遠(yuǎn)離市郊，采用有線通信管理方式投入成本高，難以實(shí)現(xiàn)高效的管理。根據(jù)調(diào)查，很多景區(qū)的酒店淋浴設(shè)施的水溫條件以及室內(nèi)的空氣條件不達(dá)標(biāo)[1]，導(dǎo)致了服務(wù)質(zhì)量的下降，影響了酒店的聲譽(yù)，以致給景點(diǎn)旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)不利影響。近年來(lái)，移動(dòng)無(wú)線通訊技術(shù)的發(fā)展，為偏遠(yuǎn)景區(qū)酒店的環(huán)境監(jiān)測(cè)管理提供了有效的途徑。其中，在各種無(wú)線通信技術(shù)中，GPRS最受青睞。通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用Internet技術(shù)與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交換，能便利地實(shí)現(xiàn)酒店環(huán)境的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)與互聯(lián)網(wǎng)的連接?；谶@樣的背景，本文依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了景區(qū)酒店環(huán)境遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，可為酒店和當(dāng)?shù)鼐皡^(qū)管理部門提供有益的參考，具有很強(qiáng)的社會(huì)價(jià)值和實(shí)用意義。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以ST推出的STM32作為主控核心，加以用于數(shù)據(jù)采集的傳感器，并結(jié)合嵌入式 Web服務(wù)器Boa完成系統(tǒng)構(gòu)建。旨在實(shí)現(xiàn)將溫度傳感器DS18B20的采集水溫?cái)?shù)據(jù)，水流量傳感器采集的水流量數(shù)據(jù)，DHT11采集的室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，MQ-135氣體傳感器采集的室內(nèi)有害氣體數(shù)據(jù)并通過(guò) STM32芯片控制并發(fā)送到GSM模塊SIM900A，利用SIM900A的GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至Web服務(wù)器中[2]，并利用CGI技術(shù)使得景區(qū)管理人員可以通過(guò)瀏覽器獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其中Web服務(wù)器Boa主要完成創(chuàng)建套接字、接收和分析Web瀏覽器的請(qǐng)求、 調(diào)用后臺(tái)CGI腳本程序以及向Web瀏覽器發(fā)送處理請(qǐng)求的結(jié)果。同時(shí)在進(jìn)行酒店中淋浴設(shè)施的設(shè)計(jì)中，增加了利用VS1053模塊播放音樂(lè)的功能，提高用戶在淋浴時(shí)的舒適性。系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 STM32 核心模塊

STM32處理器是ST（意法半導(dǎo)體）公司基ARM的Crotex-M4內(nèi)核開發(fā)的一系列新型單片機(jī)。具有門數(shù)少，中斷延遲少，調(diào)試容易等特點(diǎn)，而且具有豐富的GPIO引腳。STM32作為本模塊的核心，可以很好地滿足本系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)采集。STM32通過(guò)與各種傳感器連接構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊。通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集酒店環(huán)境參數(shù)等信號(hào)，交由STM32處理器進(jìn)行處理。

3.2室內(nèi)空氣環(huán)境監(jiān)測(cè)

3.2.1有害氣體監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)采用氣體傳感器MQ135進(jìn)行室內(nèi)污染氣體濃度的采集監(jiān)測(cè)，MQ135的工作原理是當(dāng)其處在有污染氣體的地點(diǎn)時(shí)，其內(nèi)部的氣敏材料（SnO2）的電導(dǎo)率會(huì)隨污染氣體的濃度的增大而增大，隨后通過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路即可將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換成與污染氣體濃度對(duì)應(yīng)的輸出電壓。此傳感器可用于檢測(cè)多種氣體，例如氨氣、芳族化合物、硫化物、苯系蒸汽、煙霧等氣體，氣敏元件測(cè)試濃度范圍：10to1000ppm。MQ135輸出是模擬信號(hào)，通過(guò)STM32的ADC接口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，完成對(duì)于室內(nèi)有害氣體濃度的采集[3]。

3.2.2室內(nèi)溫濕度采集

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)[4]。系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器對(duì)室內(nèi)的溫度以及濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。STM32與DHT11之間的通訊采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4ms 左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為 40bit，高位先出。數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和。

3.3淋浴設(shè)施監(jiān)測(cè)

3.3.1水溫采集

水溫采集使用溫度傳感器DS18B20，與DHT11溫濕度傳感器一樣具有獨(dú)特的單總線接口方式，在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向通訊。測(cè)溫范圍為 -55℃至 +125℃[5]。DS18B20硬件連接如圖2所示：

單總線上的所有通信都是以初始化序列開始，初始化過(guò)程包括復(fù)位過(guò)程和從機(jī)應(yīng)答過(guò)程，按照DS18B20的時(shí)序圖，相應(yīng)的寫0和寫1并保持一定的時(shí)間，初始化之后，就可對(duì)DS18B20進(jìn)行讀寫了，根據(jù)讀寫時(shí)序就可以對(duì)其進(jìn)行一個(gè)字節(jié)的讀取，讀取到的數(shù)據(jù)是一個(gè)16位的帶符號(hào)的二進(jìn)制補(bǔ)碼，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換便能得到所需要的溫度數(shù)據(jù)。

3.3.2水流量采集

水流量傳感器是利用霍爾元件的霍爾效應(yīng)來(lái)測(cè)量磁性物理量。在霍爾元件的正極串入負(fù)載電阻，同時(shí)通上5V的直流電壓并使電流方向與磁場(chǎng)方向正交。由于霍爾元件的輸出脈沖信號(hào)頻率與磁性轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速又與水流量成正比。

STM32擁有強(qiáng)大的定時(shí)器功能，通用定時(shí)器擁有捕獲/比較寄存器，在對(duì)PWM脈沖輸入進(jìn)行分析的時(shí)候，將流量傳感器的脈沖通過(guò)引腳輸入到定時(shí)器的脈沖檢測(cè)通道，通過(guò)相應(yīng)的寄存器對(duì)捕獲數(shù)據(jù)便進(jìn)行計(jì)算可以得出輸入脈沖的頻率以及水流量的數(shù)據(jù)。

3.3.3音樂(lè)播放

VS1053是繼VS1003后荷蘭VLSI公司出品的又一款高性能解碼芯片。該芯片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MP3/OGG/WMA 等音頻格式的解碼。主控通過(guò)對(duì)VS1053進(jìn)行復(fù)位，相關(guān)寄存器的配置，發(fā)送音頻數(shù)據(jù)即可進(jìn)行音樂(lè)播放了。用戶可以根據(jù)自身需要選擇該功能。

3.4 GPRS數(shù)據(jù)傳輸

3.4.1 GPRS無(wú)線傳輸原理

基于GPRS的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由位于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)的GPRS數(shù)據(jù)采集模塊 、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程服務(wù)器三部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊位于景區(qū)酒店中，由于運(yùn)營(yíng)商的基站建設(shè)的普及，通信范圍已覆蓋我國(guó)的絕大部分地區(qū)，所以各數(shù)據(jù)采集模塊可分散地使用在分布于各種不同地理環(huán)境的景區(qū)酒店中，從而避免了使用有線通信時(shí)線路鋪設(shè)所帶來(lái)的成本與施工難度問(wèn)題，有利于推動(dòng)了本系統(tǒng)的建設(shè)和布局。GPRS網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)交換的橋梁[7]。GPRS網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)如圖3所示：

數(shù)據(jù)采集模塊與位于酒店中的子系統(tǒng)主控STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 ， 將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)基站實(shí)時(shí)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商所提供的GGSN服務(wù)器，GGSN分配給GPRS數(shù)據(jù)采集終端相應(yīng)的IP地址，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集終端與Internet 的連接。

3.4.2 GPRS數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)使用SIM900A模塊進(jìn)行GPRS通信，SIM900A是通過(guò)AT指令進(jìn)行控制的，通過(guò)AT指令可以對(duì)模塊進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)的查詢和發(fā)送，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的上傳[8]。其中常用到的AT指令如下所示：

AT+CSQ 查詢當(dāng)前信號(hào)質(zhì)量，AT+CGREG？ 查詢模塊是否有注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)，AT+CGATT？ 查詢模塊是否附著GPRS 網(wǎng)絡(luò)，AT+CIICR 激活移動(dòng)場(chǎng)景，AT+CIFSR 獲得本地IP地址，AT+CIPSTART="TCP"，"124.235.160.149"，12345 建立TCP/IP連接，AT+CIPSEND 模塊向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。SIM900A結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：

GPRS網(wǎng)絡(luò)通信是以GSM網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，GSM網(wǎng)絡(luò)的語(yǔ)音通信優(yōu)先級(jí)較高，在景區(qū)旅游的淡季時(shí)，可能會(huì)有有酒店接待游客較少的情況，由此會(huì)造成GPRS雖然在線但卻沒(méi)有數(shù)據(jù)流量傳輸， 由此造成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)會(huì)自動(dòng)降低，GGSN服務(wù)器則會(huì)為了提高帶寬利用效率而斷開網(wǎng)絡(luò)連接，此時(shí)對(duì)于GPRS模塊來(lái)說(shuō)，雖然IP地址還在，但已無(wú)法進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸。為了防止由此導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)中斷 ，可在系統(tǒng)中設(shè)定每隔一段時(shí)間向服務(wù)器發(fā)送一個(gè)TCP數(shù)據(jù)包，以保證系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接不斷線 。數(shù)據(jù)包發(fā)送的頻率根據(jù)不同時(shí)間的需求做出調(diào)整，且不宜過(guò)高，免產(chǎn)生過(guò)高的額外流量帶來(lái)的成本問(wèn)題。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 主控移植UCOS操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效性、軟件固態(tài)化、硬件的相關(guān)依賴性低以及應(yīng)用的專用性等方面具有較為突出的特點(diǎn)。在位于酒店中的主控STM32中移植嵌入式UC0SIII操作系統(tǒng)，系統(tǒng)程序中采用時(shí)間輪偏轉(zhuǎn)切換，每個(gè)任務(wù)具有相同的優(yōu)先級(jí)，按順序進(jìn)行工作。該操作系統(tǒng)具有精簡(jiǎn)的內(nèi)核，性能高、穩(wěn)定，能提供很好的實(shí)時(shí)性[8]。

4.2 Web服務(wù)器與Boa移植

在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，為了使景區(qū)管理人員能夠遠(yuǎn)程檢測(cè)到酒店環(huán)境信息，需要在系統(tǒng)中移植一個(gè)支持CGI和腳本功能的Boa服務(wù)器，Boa服務(wù)器是一種單任務(wù)的服務(wù)器，支持CGI，而且源代碼開放[10]。 Boa服務(wù)器的執(zhí)行流程如圖5所示。

Web服務(wù)器的初始化工作由Boa服務(wù)器來(lái)完成，當(dāng)景區(qū)管理員在瀏覽器上做出數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，Web服務(wù)器接受瀏覽器的請(qǐng)求后分析并解析出請(qǐng)求的方法、URL目標(biāo)、可選的查詢信息以及表單信息，Web服務(wù)器完成相應(yīng)的處理后，向Web瀏覽器反饋相應(yīng)信息，嵌入式Boa服務(wù)器為系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)服務(wù)功能。系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議、HTTP 協(xié)議，通過(guò)調(diào)用具有數(shù)據(jù)請(qǐng)求和控制功能的CGI程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程端瀏覽器的請(qǐng)求處理，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。在服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)中，景區(qū)管理人員在瀏覽器中輸入服務(wù)器的IP地址，得到登錄界面，輸入用戶名和密碼之后便可進(jìn)入遠(yuǎn)程酒店環(huán)境監(jiān)測(cè)界面。

5 結(jié)論

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了酒店環(huán)境遠(yuǎn)程的功能，景區(qū)管理人員通過(guò)遠(yuǎn)程Web瀏覽器便可以對(duì)酒店環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)主要特點(diǎn)：1）溫度傳感器通過(guò)單總線與STM32進(jìn)行通信；2）CGI控制界面動(dòng)態(tài)刷新快，采用將文件保存到數(shù)組中的方式，數(shù)據(jù)處理和輸出速度快，保證了對(duì)酒店環(huán)境的實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)；3）將酒店環(huán)境數(shù)據(jù)采集與Internet互聯(lián)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代生活中的又一具有使用價(jià)值的應(yīng)用；4）同時(shí)系統(tǒng)主控引腳眾多，可以根據(jù)需要增加相應(yīng)的傳感器模塊。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)旨在對(duì)景區(qū)酒店的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督，為旅客提供更好的住宿環(huán)境，對(duì)于景區(qū)旅游業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及拉動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)有著深遠(yuǎn)的影響，具有廣泛的市場(chǎng)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚蔚蔚.低碳旅游視角下酒店管理模式研究[J].生產(chǎn)力研究，2012（5）：203-204.

[2] 李笑濤，李智.基于GPRS和Web遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)的設(shè)備監(jiān)控終端設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2012，40（8）：136-138.

[3] 胡曉芳.基于AVR單片機(jī)的室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014，33（7）：117-119，123.

[4] 范治政，劉永春.基于ARM9的大棚遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，54（3）：705-708

[5] 向陽(yáng)，曾超塵，熊瑛，等.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的育苗溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015（10）：228-231

[6] 宮鵬，宮玥，王瑞寶，等.基于嵌入式系統(tǒng)的多媒體音樂(lè)播放器[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（12）：100-103.

[7] Walke， B.H..The roots of GPRS： the first system for mobile packet-based global internet access[J].IEEE wireless communications，2013，20（5）：12-23

[8] 李濤，馬殷元，楊東，等.基于STM32的GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)[J].電子世界，2012（11）：126-127.

[9] 劉國(guó)鋒，許慰玲.基于WSN的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2014（10）：84-85.

[10] 吳貞貞，寧永海.基于嵌入式Web的HART儀表遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].火力與指揮控制，2014，（11）：168-170，174.