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)

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)

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)

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)

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(duì)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(tái)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。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；B/S架構(gòu)；智能家居；遠(yuǎn)程監(jiān)測

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(duì)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(duì)新興的智能家居平臺(tái)的安全進(jìn)行了深入的分析，特別是針對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2 檢測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

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(MQ-7)、甲醛檢測模塊(MQ-138)和報(bào)警電路組成。單片機(jī)對(duì)采集到的多路傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)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(duì)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(hào)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(jí)版本，升級(jí)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(duì)一氧化碳的靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、使用壽命長、電信號(hào)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(duì)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)

圖3 檢測節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

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(jí)的JavaScript庫，它將所有的AJAX操作封裝到一個(gè)函數(shù)中[11]。

圖4 無線傳輸軟件設(shè)計(jì)框架圖

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(hào)(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。

表1 本地MySQL數(shù)據(jù)庫

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。

圖5 整體軟件設(shè)計(jì)流程圖

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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Design and implementation of a remote home-environment monitoring system based on B/S architecture

Liang Xuehui，Xu Fen，Wu Runzhou

(College of Electrical and Control Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

With the rapid development of network, the integration of sensor network, wireless communication, embedded devices and big data technology in the area of smart home applications is becoming an irreversible trend. The traditional C/S structure of environmental monitoring system has a few disadvantages, such as difficulty on installation, high requirements on system platform, high cost on maintenance, etc. This paper presents a remote home air monitoring system based on B/S architecture. The system uses ZigBee technology and detects a number of environmental parameters of a household in real time. Users can monitor air status of remote house such as room temperatures, air humidity, PM2.5 concentrations, formaldehyde concentrations, CO concentrations, etc, easily via a Web browser from mobile phone or a remote computer. The system has advantages of being simple, low power and easy to use.

wireless sensor networks; B/S architecture; smart home; remote monitoring

TP277

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.029

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.

2016-10-26)

梁雪輝(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：傳感器與互聯(lián)網(wǎng)。

許芬(1970-)，女，博士，副教授，主要研究方向：傳感器與圖像處理。

吳潤州(1995-)，男，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向：自動(dòng)化。

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