基于物聯(lián)網(wǎng)的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

胡茂力,李艷春，肖南峰

(華南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510006)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

胡茂力,李艷春，肖南峰

(華南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510006)

為了預(yù)防火災(zāi)、爆炸、泄漏、煙霧等災(zāi)害事故的發(fā)生，迫切需要實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)的安全生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警。為此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的多傳感器生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。使用TQ6410作為網(wǎng)關(guān)，將其融合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，調(diào)用GPRS服務(wù)，將采集到的生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)可控地發(fā)送至遠(yuǎn)程的生產(chǎn)企業(yè)服務(wù)器進(jìn)行甄別，之后再將預(yù)警結(jié)果發(fā)送至各類終端用戶設(shè)備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方案能快速地對(duì)企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)存在危險(xiǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，能及時(shí)做出預(yù)警與監(jiān)控。

物聯(lián)網(wǎng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集；安全監(jiān)控

近年來，在我國(guó)各類大中小企業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)生重大安全事故的案例越來越多,尤其是以火災(zāi)、爆炸、泄漏、煙霧等災(zāi)害事故居多，所以監(jiān)控和預(yù)警這類災(zāi)害事故已成為迫在眉睫的任務(wù)。為此，本文以各類企業(yè)重大危險(xiǎn)源辨識(shí)及事故調(diào)查反演分析為目標(biāo)，以傳統(tǒng)方法為基礎(chǔ)并結(jié)合基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控和預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)能對(duì)企業(yè)關(guān)鍵生產(chǎn)裝置中重大危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)的災(zāi)害事故預(yù)警和監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)將對(duì)于防范我國(guó)各類企業(yè)生產(chǎn)過程的火災(zāi)、爆炸、泄露、煙霧等災(zāi)害事故及事故調(diào)查反演分析起極大的作用。

1　基于物聯(lián)網(wǎng)的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要層次架構(gòu)如圖1所示。

圖1　采集系統(tǒng)的主要層次架構(gòu)

1.1無線網(wǎng)絡(luò)層

無線網(wǎng)絡(luò)層承載的是多傳感器數(shù)據(jù)采集端，主要任務(wù)為在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并定時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器。采集的數(shù)據(jù)主要分為兩種：① 圖像數(shù)據(jù)。即布置在各關(guān)鍵生產(chǎn)裝置處的攝像設(shè)備所拍攝的圖像；② 環(huán)境數(shù)據(jù)，即由各類傳感器所采集到的數(shù)據(jù)信息，主要包括溫度、濕度、煙霧濃度、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度、液化石油氣濃度、氨氣濃度、醛酮醇類氣體濃度等8種。本層主要使用8種類型的環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器和1種圖像傳感器，通過ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集[1-2]。

1) 環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)。8種環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器模塊如表1所示，采用的是系統(tǒng)級(jí)芯片STM32W108。各模塊各司其職，監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境中對(duì)應(yīng)的元素值。由于采集數(shù)據(jù)格式(單位、數(shù)值范圍)各式各樣，所以需要一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)(亦即協(xié)調(diào)管理節(jié)點(diǎn))來進(jìn)行管理。匯聚節(jié)點(diǎn)主要匯聚8種環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行格式化，并與TQ6410網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.因而可得到由環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器所組成的無線網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示[3]。

表1　8種環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器

圖2　無線網(wǎng)絡(luò)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2) 無線網(wǎng)絡(luò)組建。無線網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)組建步驟如下：① SUN主節(jié)點(diǎn)(匯聚節(jié)點(diǎn))首先初始化網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，對(duì)PLANET表初始化，設(shè)置PAN_ID和Node_ID(默認(rèn)0x0000)，清除原有的直接隊(duì)列和間接隊(duì)列；打開無線信道，在11～26信道中選擇一個(gè)能量最小的可用信道作為自己的網(wǎng)路信道，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為TRUE，等待PLANET子節(jié)點(diǎn)(傳感器節(jié)點(diǎn))加網(wǎng)。② SUN主節(jié)點(diǎn)初始化完成后，PLANET子節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備加入網(wǎng)絡(luò)。PLANET子節(jié)點(diǎn)首先判斷自己是否在網(wǎng)絡(luò)中，若不在網(wǎng)絡(luò)中，則對(duì)自身進(jìn)行初始化，構(gòu)造1個(gè)負(fù)載類型為PT_SUN_SEARCH的幀，類型為SUN_SEARCH_ PACKET，然后在信道上查找是否有可用的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送搜索數(shù)據(jù)包。③ SUN主節(jié)點(diǎn)收到SUN_SEARCH_ PACKET類型幀后，判斷自身的PLANET表中是否有空間，如果有就向PLANET子節(jié)點(diǎn)反饋1個(gè)負(fù)載類型為PT_SUN_ AVAILABLE的幀，類型為SUN_AVAILABLE_PACKET，發(fā)送應(yīng)答包。④ PLANET子節(jié)點(diǎn)收到SUN_ AVAILABLE_PACKET類型幀后，就找到了1個(gè)可用的網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)需要檢查自己的PAN_ID是否與SUN節(jié)點(diǎn)一致，修改自身的PAN_ID和SUN一致后，向SUN單播發(fā)送1個(gè)負(fù)載類型為PT_JOIN_ REQUEST的幀，類型為JOIN_REQUEST_ PACKET的包，請(qǐng)求加入。⑤ SUN主節(jié)點(diǎn)收到JOIN_REQUEST_ PACKET類型幀后，檢查自身的PLANET表空間，如果有空間，就為該P(yáng)LANET分配1個(gè)短ID，并反饋1個(gè)JOIN_A CCEPTED_PACKET響應(yīng)幀給PLANET。若無，則反饋JOIN_DENIED_ PACKET響應(yīng)幀。⑥ PLANET子節(jié)點(diǎn)收到JOIN_ACCEPTED_ PACKET類型幀后，從SUN主節(jié)點(diǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)包中提取SUN主節(jié)點(diǎn)分配的短地址并設(shè)置自己的短地址，并將networkJoinStopSearching標(biāo)志改為TRUE，停止搜索。至此，PLANET子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功[4-6]。

3) 無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。無線網(wǎng)絡(luò)組建完成后，SUN節(jié)點(diǎn)與PLANT節(jié)點(diǎn)便可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。PLANET子節(jié)點(diǎn)的基本工作為：首先進(jìn)行硬件及相應(yīng)變量的初始化，然后需要按下“發(fā)送按鍵”觸發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)包操作；當(dāng)按鍵被按下后，會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)包給SUN主節(jié)點(diǎn)。SUN主節(jié)點(diǎn)的基本工作則為：首先進(jìn)行硬件及相應(yīng)變量的初始化，然后循環(huán)檢測(cè)是否收到來自PLANET子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，若收到數(shù)據(jù)包則進(jìn)行分析，執(zhí)行與數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的操作[4]。SUN主節(jié)點(diǎn)匯聚齊數(shù)據(jù)后，通過RS232交叉串口線與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)按照協(xié)議進(jìn)行通信，其中協(xié)議的細(xì)節(jié)在下一節(jié)數(shù)據(jù)鏈路層中會(huì)進(jìn)行詳細(xì)解析。

4) 圖像傳感器節(jié)點(diǎn)。圖像傳感器節(jié)點(diǎn)采用的是USB攝像頭。在圖像采集方案設(shè)計(jì)上，采用了V4L2(video 4 linux 2)這一針對(duì)uvc免驅(qū)usb設(shè)備的編程框架。其采集流程如下：① 通過/dev中的設(shè)備號(hào)，獲取設(shè)備端口號(hào)，打開USB攝像頭設(shè)備。② 選擇圖像輸入，1個(gè)圖像設(shè)備可以有多個(gè)圖像輸入。③ 設(shè)置圖像的制式和幀格式，制式包括PAL和NTSC，幀的格式包括寬度和高度等。④ 向驅(qū)動(dòng)申請(qǐng)幀緩沖，一般不超過5個(gè)。⑤ 申請(qǐng)物理內(nèi)存，即將申請(qǐng)到的幀緩沖映射到用戶空間，這樣就可以直接操作采集到的幀，而不必去復(fù)制。將申請(qǐng)到的幀緩沖全部入隊(duì)列，以便存放采集到的數(shù)據(jù)。⑥ 當(dāng)前面的工作準(zhǔn)備就緒后開始圖像的采集。⑦采集圖像，以取得已采集數(shù)據(jù)的幀緩沖，取得原始采集數(shù)據(jù)。發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)(TQ6410)，網(wǎng)關(guān)會(huì)通過GPRS Modem來發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)給服務(wù)器。⑧ 停止視頻采集。⑨ 關(guān)閉視頻設(shè)備。流程如圖3所示[5-8]。至此，無線網(wǎng)絡(luò)層的8+1種傳感器的數(shù)據(jù)采集已完成，數(shù)據(jù)將傳輸至數(shù)據(jù)鏈路層。

1.2數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層承載的是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，本文選用天嵌科技研發(fā)的TQ6410開發(fā)板，如圖4所示[9]。使用的端口有：USB接口1，與GPRS模塊連接；USB接口2，與USB攝像頭連接；COM接口1，與無線網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)通過RS232交叉串口線連接；COM接口2，與調(diào)試PC連接(可選)。

圖3　圖像傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程

圖4　TQ6410接口說明

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)支持感知延伸設(shè)備之間的多種通信協(xié)議和數(shù)據(jù)類型，實(shí)現(xiàn)多種感知延伸設(shè)備之間數(shù)據(jù)通信格式的轉(zhuǎn)換，對(duì)上傳的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一，同時(shí)對(duì)下達(dá)到感知延伸網(wǎng)絡(luò)的采集或控制命令進(jìn)行映射，產(chǎn)生符合具體設(shè)備通信協(xié)議的消息。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對(duì)感知延伸設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制與管理，向上層屏蔽底層感知延伸網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，共分為4層：業(yè)務(wù)服務(wù)層、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)構(gòu)成層、協(xié)議適配層和感知延伸層。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)如圖5所示[10-11]。

圖5　物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)的各層設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如下：① 業(yè)務(wù)服務(wù)層。主要模塊為數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。數(shù)據(jù)接收模塊主要負(fù)責(zé)接收來自中央數(shù)據(jù)中心發(fā)送過來的具有標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)，例如發(fā)送數(shù)據(jù)的命令或者更改采集頻率的通知等，并將上述數(shù)據(jù)往下傳遞給標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)構(gòu)成層。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊則主要負(fù)責(zé)向中央數(shù)據(jù)中心安全地傳輸來自最底層感知延伸網(wǎng)絡(luò)所采集并經(jīng)過底層協(xié)議包裝的數(shù)據(jù)信息，包括環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)以及圖像傳感器采集的圖像信息。在接收與發(fā)送的過程中，對(duì)于接收、發(fā)送的數(shù)據(jù)必須保證其安全性以及協(xié)議封裝有效性。② 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)構(gòu)成層。主要模塊為數(shù)據(jù)解析模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。當(dāng)上層數(shù)據(jù)往下傳輸時(shí)，數(shù)據(jù)解析模塊將請(qǐng)求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換工作，將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為協(xié)議適配層能夠理解的且底層感知延伸設(shè)備能夠應(yīng)用的數(shù)據(jù)格式，轉(zhuǎn)換規(guī)則依賴于具體的底層通信協(xié)議。而當(dāng)?shù)讓拥母兄由煸O(shè)備往上傳輸采集的數(shù)據(jù)時(shí)，該模塊將請(qǐng)求數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為業(yè)務(wù)服務(wù)層能夠發(fā)送的格式。本層的2個(gè)模塊是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的重要工作，是網(wǎng)關(guān)的核心。本層還實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的可管理能力，對(duì)底層的感知延伸設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制管理，在往上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，屏蔽底層協(xié)議的異構(gòu)性，對(duì)數(shù)據(jù)格式管理也達(dá)到統(tǒng)一。③ 協(xié)議適配層。主要模塊為協(xié)議解析模塊，主要負(fù)責(zé)將底層多樣的感知延伸設(shè)備所支持的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為格式統(tǒng)一、便于管理的數(shù)據(jù)和控制命令。④ 感知延伸層。主要模塊為數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，與業(yè)務(wù)服務(wù)層類似，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)給底層的感知延伸設(shè)備，這些數(shù)據(jù)是經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)構(gòu)成層進(jìn)行轉(zhuǎn)換后獲得的。數(shù)據(jù)接收模塊則主要負(fù)責(zé)接收來自底層感知延伸設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，向上進(jìn)行傳輸，發(fā)送至標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)構(gòu)成層進(jìn)行解析工作。本層的感知延伸設(shè)備，主要包括8個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器以及1個(gè)圖像數(shù)據(jù)傳感器，支持多種底層的通信協(xié)議，包括RFID協(xié)議、ZigBee協(xié)議、藍(lán)牙協(xié)議等。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)解決了物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同設(shè)備無法統(tǒng)一控制和管理的問題，達(dá)到屏蔽底層通信差異的目的，并使得最終用戶無需知道底層設(shè)備的具體通信細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同感知延伸層設(shè)備的統(tǒng)一訪問[10-13]。

1.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制層

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制層承載的是中央數(shù)據(jù)中心。中央數(shù)據(jù)中心主要分為圖像接收子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)、圖像處理子系統(tǒng)。圖像接收子系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，接收完成后再把圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子系統(tǒng)對(duì)圖像做預(yù)處理后進(jìn)行存儲(chǔ)，再把圖像的編號(hào)放到待處理隊(duì)列。該隊(duì)列根據(jù)圖像處理子系統(tǒng)的負(fù)載量適時(shí)的發(fā)送圖像數(shù)據(jù)和處理命令到圖像處理子系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行處理，并把處理結(jié)果返回保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，再把相應(yīng)監(jiān)測(cè)對(duì)象的模板數(shù)據(jù)和剛處理得到的數(shù)據(jù)通過融合模型計(jì)算，從而得到預(yù)警結(jié)果。對(duì)于有可能發(fā)生災(zāi)害的數(shù)據(jù)生成預(yù)警信息，更新客戶端的預(yù)警信息列表。中央數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。該層處理圖像數(shù)據(jù)及傳感器數(shù)據(jù)還運(yùn)用了其他算法，例如自底向上注意機(jī)制、Itti算法、FT(frequency-tuned salient region detection)算法等[1，14-15]。

1.4應(yīng)用層

應(yīng)用層承載終端用戶設(shè)備，主要用于數(shù)據(jù)的顯示和與用戶進(jìn)行交互。通過網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器后，客戶端通過給服務(wù)器發(fā)送命令，接收服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)。在客戶端可以執(zhí)行查看圖像、查看預(yù)警信息、對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行確認(rèn)或取消等操作。本文采用云片網(wǎng)絡(luò)提供的彩信、短信發(fā)送平臺(tái)。圖7所示為基于云片網(wǎng)絡(luò)的短信發(fā)送后臺(tái)管理系統(tǒng)。通過云片網(wǎng)提供的API接口主要函數(shù)，付費(fèi)獲取APIKEY，寫入服務(wù)器程序中，與指定的用戶號(hào)碼進(jìn)行通信。

圖6　監(jiān)控服務(wù)器系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)

圖7　云片網(wǎng)絡(luò)短信發(fā)送后臺(tái)管理系統(tǒng)

2　系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如圖8所示。多傳感器數(shù)據(jù)采集端和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)后的實(shí)物如圖9所示。圖9(a)中包含了8種無線傳感器、匯聚節(jié)點(diǎn)、USB攝像頭、TQ6410網(wǎng)關(guān)以及GPRS模塊。為了實(shí)際測(cè)試采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集效果，還設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)箱來模擬火災(zāi)以及氣體泄漏，分別如圖9(b)和圖9(c)所示。

圖8　采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)示意圖

圖9　實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2.1GPRS模塊通信實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證采集系統(tǒng)的GPRS模塊能否有效地鏈入網(wǎng)絡(luò)，并準(zhǔn)確地往中央數(shù)據(jù)中心接收與發(fā)送數(shù)據(jù)，從而驗(yàn)證無線網(wǎng)絡(luò)層的傳感器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的數(shù)據(jù)中心之間的信息交互是否能夠成功。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過TQ6410物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)與GPRS模塊相互搭載，形成通信網(wǎng)關(guān)，如圖10所示。將通信網(wǎng)關(guān)的硬件接通電源，并且使用撥號(hào)命令，撥號(hào)上網(wǎng)。多次收發(fā)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)其中的上下行時(shí)間及帶寬，并針對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析。

圖10　通信網(wǎng)關(guān)硬件

實(shí)驗(yàn)過程：首先接通TQ6410物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的電源，在屏幕校準(zhǔn)后進(jìn)入GPRS撥號(hào)階段；運(yùn)行“pppd call gprs”撥號(hào)指令；在信號(hào)基站對(duì)鏈路的連接進(jìn)行認(rèn)證后，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)分配到一個(gè)IPv4的地址(在圖11中為10.74.132.78)，該組合的通信網(wǎng)關(guān)成功地加入了互聯(lián)網(wǎng)中。網(wǎng)關(guān)的聯(lián)網(wǎng)截圖如圖11所示。

圖11　GPRS模塊聯(lián)網(wǎng)過程

接下來進(jìn)行將傳感器端的數(shù)據(jù)發(fā)送往中央數(shù)據(jù)中心實(shí)驗(yàn)。數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試實(shí)驗(yàn)的具體步驟為：① 預(yù)設(shè)大約10 kb大小的數(shù)據(jù)；② 在撥通網(wǎng)絡(luò)的條件下，循環(huán)地向中央數(shù)據(jù)中心發(fā)送與接收該組數(shù)據(jù)；③ 每一次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)都選取近10次的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均估值，并記錄相應(yīng)的帶寬數(shù)據(jù)。在經(jīng)過實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)后，匯總數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間統(tǒng)計(jì)

注：時(shí)間單位為ms；帶寬單位為(kb·s-1)。

從表2統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中可以看出：在系統(tǒng)的GPRS模塊中，上下行帶寬都能夠超過10 kb/s，對(duì)于傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸是滿足其通信需求的，也證明了該GPRS鏈入的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可用于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)搭建，具有有效性及可行性。當(dāng)然，其缺點(diǎn)也在于該GPRS網(wǎng)絡(luò)的上下行傳輸速度不高。通過查閱移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)方給予的官方數(shù)據(jù)可知GPRS通信最高帶寬為172 kb/s。由于客觀因素以及通信競(jìng)爭(zhēng)等原因，用戶只能享用其1/2的信道帶寬，從而導(dǎo)致最終用戶所使用的帶寬可能不足官方數(shù)據(jù)顯示的一半。在技術(shù)層面上來說，上行的帶寬只占總帶寬的1/3。因此，如果接收與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增大，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸將成為瓶頸。不過，隨著3G、4G網(wǎng)絡(luò)的全方面覆蓋以及對(duì)應(yīng)的通信技術(shù)日趨成熟，這一問題可以很輕松地解決，而且日后移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)也必將在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的傳輸領(lǐng)域占有不可替代的地位。

2.2環(huán)境傳感器氣體泄漏模擬實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)主要目的是驗(yàn)證系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)層中的8種傳感器能正確有效地組網(wǎng)，并在組網(wǎng)后，匯聚節(jié)點(diǎn)能通過連接線將數(shù)據(jù)傳輸至TQ6410開發(fā)板，并且通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至中央數(shù)據(jù)中心。要求1：8種傳感器能組入統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)，并互不干擾的正常工作；要求2：在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)并存(存在多個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn))時(shí)，各類傳感器能夠找尋屬于各自網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，并正常工作。為了能滿足要求1和2的要求，設(shè)計(jì)了兩次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)1為單組網(wǎng)絡(luò)的正常工作。主要步驟：① 匯聚節(jié)點(diǎn)(Sun節(jié)點(diǎn))與8種傳感器節(jié)點(diǎn)(各Planet節(jié)點(diǎn))同時(shí)通電；② 觀察各Planet節(jié)點(diǎn)加入Sun節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)時(shí)LED燈的明暗變化并檢查匯聚節(jié)點(diǎn)的匯總數(shù)據(jù)；③ 關(guān)閉8種傳感器中的若干傳感器，檢查其他傳感器是否正常工作并檢查匯聚節(jié)點(diǎn)的匯總數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)2為多組網(wǎng)絡(luò)的正常工作。主要步驟：① 同時(shí)啟動(dòng)兩組傳感器，觀察各傳感器的組網(wǎng)情況；② 關(guān)閉其中一組的某些傳感器，觀察兩組傳感器對(duì)應(yīng)的傳感器數(shù)值的變化；③ 多次重復(fù)步驟②。

兩組實(shí)驗(yàn)中組網(wǎng)成功后，需要傳感器的匯聚節(jié)點(diǎn)鏈接TQ6410開發(fā)板，TQ6410開發(fā)板再通過GPRS模塊連接入網(wǎng)，往中央數(shù)據(jù)中心發(fā)送傳感器節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)。單組傳感器組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)過程：首先打開Sun節(jié)點(diǎn)開發(fā)板上的開關(guān)，此時(shí)開發(fā)板上的power指示燈亮，表明開發(fā)板已經(jīng)上電，并處于待機(jī)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)時(shí)狀態(tài)如圖12 (a)所示。而此時(shí)各Planet節(jié)點(diǎn)開發(fā)板也由Sun節(jié)點(diǎn)開發(fā)板上提供的電源同時(shí)被上了電，均處于待機(jī)請(qǐng)求加網(wǎng)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)時(shí)狀態(tài)如圖12 (b)所示。此時(shí)，使用串口工具向Sun節(jié)點(diǎn)發(fā)送組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的命令“f”。Sun節(jié)點(diǎn)開發(fā)板接收到串口發(fā)送過來的命令“f”，則開始組建一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而各Planet節(jié)點(diǎn)開發(fā)板將陸續(xù)加入到該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，但暫時(shí)未開始采集數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)狀態(tài)如圖12(c)和圖12(d)所示。

此時(shí)，使用串口工具助手，發(fā)送“d”命令至Sun節(jié)點(diǎn)，查看各傳感器的工作狀態(tài)，如圖13所示。由于各傳感器的工作按鈕尚未被按下，所以采集到的數(shù)據(jù)均為0。當(dāng)各個(gè)Planet節(jié)點(diǎn)上的S3工作按鈕被按下之后，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)才開始進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集，并將其定時(shí)發(fā)送到Sun節(jié)點(diǎn)上。再次通過串口助手發(fā)送“d”命令至Sun節(jié)點(diǎn)，即可接收到采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。實(shí)驗(yàn)時(shí)采集的數(shù)據(jù)如圖14所示。

圖13　各傳感器加入網(wǎng)絡(luò)

圖14　匯總的數(shù)據(jù)示例

在Planet節(jié)點(diǎn)上還有一個(gè)Reset按鈕可以重置節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，使其還原到初始狀態(tài)。也可以使用開關(guān)on-off來調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)與否。關(guān)閉某傳感器，對(duì)應(yīng)的傳感器會(huì)離網(wǎng)，其對(duì)應(yīng)的傳感器數(shù)值會(huì)變?yōu)?。在本實(shí)驗(yàn)中，關(guān)閉CH4傳感器的電源，數(shù)據(jù)變化如圖15所示。從上述的單組傳感器組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中分析可以得出：8種類型的傳感器能準(zhǔn)確地加入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)；通過兩個(gè)LED燈的明暗可以得知是否加入無線網(wǎng)中；節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間互不影響，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)不工作或者工作不正常，皆不影響其他傳感器節(jié)點(diǎn)。

圖15　斷開傳感器時(shí)示例

多組傳感器組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)過程：同時(shí)打開兩組傳感器，觀察兩組傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)指示燈明暗變化。通過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，兩組傳感器之間的傳感器節(jié)點(diǎn)都能圍繞各自的匯聚節(jié)點(diǎn)正常工作，互不干擾。中央數(shù)據(jù)中心打開數(shù)據(jù)接收程序，可以接收通過GPRS鏈接的TQ6410開發(fā)板發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，如圖16所示。從數(shù)據(jù)圖像的變化可以看出：在模擬氣體泄漏前后能準(zhǔn)確捕捉到各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)的變化，并準(zhǔn)確顯示到服務(wù)器端的展示處。

2.3圖像傳感器實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)的主要目的：驗(yàn)證系統(tǒng)中的圖像傳感器節(jié)點(diǎn)能夠正常工作，獲取圖像數(shù)據(jù)并回傳到服務(wù)器中。實(shí)驗(yàn)步驟：① 通過USB接口將USB攝像頭連接入TQ6410開發(fā)板中；② TQ6410開發(fā)板通過GPRS模塊撥號(hào)上網(wǎng)，鏈接中央數(shù)據(jù)中心；③ 在火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)箱中引燃可燃物，TQ6410啟動(dòng)圖像數(shù)據(jù)采集程序，攝像頭自動(dòng)拍攝火災(zāi)圖像；④ TQ6410開發(fā)板啟動(dòng)圖像數(shù)據(jù)發(fā)送程序，將火災(zāi)圖像發(fā)送至中央數(shù)據(jù)中心。實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析：首先將各硬件都連接妥當(dāng)，并且使用GPRS模塊撥號(hào)完畢，在火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)箱的燃燒池中引燃可燃物。TQ6410便開始發(fā)送圖像數(shù)據(jù)至服務(wù)器端。服務(wù)器端接收到數(shù)據(jù)，顯示在程序的圖片展示處，實(shí)驗(yàn)時(shí)具體情況如圖17所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看到，圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以清晰地捕捉到生產(chǎn)環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)，并發(fā)送到中央數(shù)據(jù)中心，在加以處理后，顯示于展示處。

圖16　服務(wù)器端數(shù)據(jù)接收

圖17　服務(wù)器端展示燃燒池火焰圖像

2.4預(yù)警信息發(fā)送實(shí)驗(yàn)

氣體泄漏和火災(zāi)災(zāi)情都會(huì)引發(fā)相應(yīng)的預(yù)警處理。首先驗(yàn)證TQ6410的采集頻率變化。采集頻率的初始值為60 s(1 min)。即TQ6410網(wǎng)關(guān)每分鐘發(fā)送1次數(shù)據(jù)給中央數(shù)據(jù)中心，具體數(shù)值可以隨不同的生產(chǎn)裝置而設(shè)置不同。在進(jìn)行氣體泄漏以及火災(zāi)模擬后，從數(shù)據(jù)庫(kù)中可以取得關(guān)于傳感器采集時(shí)間的相關(guān)數(shù)據(jù)，如表3所示。

可以發(fā)現(xiàn)：在正常情況下，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為60 s左右(存在系統(tǒng)誤差)。在數(shù)據(jù)中心發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時(shí)，發(fā)送了“i”指令請(qǐng)求網(wǎng)關(guān)加快匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集頻率，數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔被縮減為15 s 左右。當(dāng)災(zāi)情消去時(shí)(泄漏氣體擴(kuò)散，災(zāi)情變小)，采集頻率回到了60 s左右。由于中央數(shù)據(jù)中心確認(rèn)發(fā)生了災(zāi)情，可以在預(yù)設(shè)手機(jī)接收端收到如圖18所示信息，該信息證實(shí)了系統(tǒng)的預(yù)警處理以及云片網(wǎng)相應(yīng)API的有效性。

表3　采集時(shí)間數(shù)據(jù)

圖18　預(yù)警信息展示

3　結(jié)束語

本文通過分析企業(yè)生產(chǎn)安全中需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并通過對(duì)采集方案層次圖的擴(kuò)充，引入云片網(wǎng)的短信API技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)箱用以模擬火災(zāi)環(huán)境。通過實(shí)驗(yàn)表明：該方案能夠快速地對(duì)企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)存在危險(xiǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，能及時(shí)做出預(yù)警與監(jiān)控。

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(責(zé)任編輯楊黎麗)

Research of Multi-Sensor Data Acquisition Technology Based on Internet of Things

HU Mao-li, LI Yan-chun, XIAO Nan-feng

(School of Computer Science & Engineering, South China University of Technology,Guangzhou 510006, China)

In order to prevent the occurrence of production accidents, it is urgent to research the technology which used in safety monitoring of enterprise manufacture that we can realize the monitoring and early warning of enterprise manufacture. We designed and implemented a multi-sensor data acquisition system based on Internet of things which using TQ6410 as a gateway. It fuses the data collected in wireless sensor network, and calls GPRS services, sends the environment data of production to the remote data center. After handling, the warning results will send to the terminal of user equipment. The experimental results show that the scheme can quickly have data acquisition to the enterprise production environment and can make the early warning and monitoring in a timely manner when there is a data danger.

Internet of things; wireless sensor networks; data acquisition; safety monitoring

2016-06-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61573145)；廣東省公益研究與能力建設(shè)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014B010104001)；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015A030308018)

胡茂力(1991—),男,碩士,主要從事智能計(jì)算與工業(yè)機(jī)器人研究; 通訊作者 李艷春(1981—)，女，湖南漣源人，博士研究生，講師，主要從事計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)研究，E-mail:aserwer@163.com; 肖南峰(1962—),男,江西南昌人,教授,博士,CCF會(huì)員,本刊編委，主要從事人工智能,機(jī)器人,計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，E-mail: xiaonf@scut.edu.cn。

format：HU Mao-li, LI Yan-chun, XIAO Nan-feng.Research of Multi-Sensor Data Acquisition Technology Based on Internet of Things[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):108-117.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.017

TP391.1

A

1674-8425(2016)10-0108-10

引用格式：胡茂力,李艷春，肖南峰.基于物聯(lián)網(wǎng)的多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(10):108-117.