基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜朝 仙曉寧

摘 要：在新時期環(huán)境下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展十分迅速，它在各行各業(yè)中都得到了廣泛使用，這也為環(huán)境監(jiān)控工作的開展提供了良好的技術(shù)支撐。在環(huán)境監(jiān)控中，借助物聯(lián)網(wǎng)來進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠有效改變傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)控的弊端，促進(jìn)環(huán)境監(jiān)控水平的提升，因此基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)也成為了人們的關(guān)注重點(diǎn)。文章就主要針對基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，希望對相關(guān)工作開展提供參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);環(huán)境監(jiān)控;系統(tǒng)設(shè)計(jì);系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

0 引言

人們生活水平得到了顯著提升，他們對生活環(huán)境也提出了更高的要求，為了實(shí)現(xiàn)對生活環(huán)境的智能化控制，基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)成了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有著顯著的特點(diǎn)，它有效實(shí)現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)控和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的結(jié)合，促進(jìn)智能化環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，而基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，就是文章主要研究的內(nèi)容。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

所謂物聯(lián)網(wǎng)，主要是借助各類先進(jìn)的設(shè)備（掃描器和傳感器等）和技術(shù)（射頻識別的技術(shù)和GPS的技術(shù)等），對任何所要監(jiān)控、互動、連接的物體或者過程信息實(shí)時采集，采集的信息涉及到聲、光、電、熱、化學(xué)、力學(xué)和生物等各種信息，并通過各類網(wǎng)絡(luò)的接入，達(dá)到物和物、物和人泛在的連接效果，對物品以及過程實(shí)現(xiàn)智能化的感知、管理與識別。往往物聯(lián)網(wǎng)主要包括感知層部分、傳輸層部分和應(yīng)用層部分，在內(nèi)部感知層中，主要功能是實(shí)現(xiàn)信息采集以及短距離的信息傳送;在傳輸層中，主要功能是對感知層內(nèi)獲得數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)長距離的傳送;在應(yīng)用層中，主要功能是對此類數(shù)據(jù)處理以及決策而用，涉及各類應(yīng)用的服務(wù)，比如工業(yè)化控制、智能化的電網(wǎng)建設(shè)、環(huán)境智能監(jiān)控和智能家居等[1]。

2 系統(tǒng)的總體實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

對此系統(tǒng)的感知層設(shè)計(jì)中，對其兩個終端實(shí)施節(jié)點(diǎn)的合理部署，此節(jié)點(diǎn)分別為信息采集傳感器、燈泡控制。以此傳感器能夠?qū)Νh(huán)境內(nèi)的T（溫度）、H（濕度）、L（光強(qiáng)）等信息采集，終端的節(jié)點(diǎn)借助ZigBee向網(wǎng)關(guān)的協(xié)調(diào)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，其網(wǎng)關(guān)使用以太網(wǎng)向設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，而此時則借助本地的瀏覽器或相應(yīng)客戶端就能對感知層的節(jié)點(diǎn)監(jiān)控。

2.1.1 系統(tǒng)內(nèi)T/H/L的傳感器和燈泡的執(zhí)行器相關(guān)節(jié)點(diǎn)分析

此系統(tǒng)內(nèi)，對T/H/L的傳感器相應(yīng)節(jié)點(diǎn)選擇XBee的傳感器，此模塊能夠?qū)/H/L參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時讀取，且使用ZigBee對數(shù)據(jù)完成傳送。對燈泡的執(zhí)行器相應(yīng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，選擇XBee的數(shù)字化I0的適配器，在此適配器內(nèi)設(shè)置4個接口，主要對電極開路實(shí)現(xiàn)上拉與下拉的操作處理，且以配置引腳的模式對適配器相應(yīng)的端口狀態(tài)實(shí)現(xiàn)控制。兩者都能夠和網(wǎng)關(guān)配合，把數(shù)據(jù)送到設(shè)備云內(nèi)，還可以借助網(wǎng)關(guān)對指令實(shí)施下達(dá)，從而依據(jù)指令對適配器輸出引腳實(shí)際高低的電平清理實(shí)現(xiàn)有效管控[2]。

2.1.2 對物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)分析

對于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)來說，它主要的功能是實(shí)現(xiàn)感知層部分與應(yīng)用層部分的銜接，常用功能有節(jié)點(diǎn)的管理、數(shù)據(jù)信息的記錄和管理、多種類型信息的交互和云端信息的安全性管理等。此系統(tǒng)內(nèi)，使用的是DIGI所研發(fā)的一種網(wǎng)關(guān)類型，在此網(wǎng)關(guān)中主要借助ZigBee和其他的XBee相應(yīng)模塊達(dá)到連接目的，以開源式Python對環(huán)境實(shí)施開發(fā)，達(dá)到設(shè)備云以及感知層的節(jié)點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)的有效交互。

此系統(tǒng)內(nèi)，網(wǎng)關(guān)核心的處理器是Fresscale所生產(chǎn)的一種處理器類型，它對ZigBee的網(wǎng)絡(luò)信息通過DIGI所生產(chǎn)的一種ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)交互目的。在此模塊中，采取SMT的封裝方式，能夠達(dá)到很遠(yuǎn)的傳輸距離;且它選用Ember357型號的單片機(jī)，其與XBee S2具有Ember ZigBee的協(xié)議棧相同，兩者間能夠完成互相的通信。

2.1.3 對移動的客戶端使用

對此部分的設(shè)計(jì)主要是借助移動的客戶端來達(dá)到移動式監(jiān)控的效果，因?yàn)镼t的研發(fā)框架是一種跨平臺性C++的應(yīng)用程序，而且還具備對自由軟件相關(guān)用戶實(shí)現(xiàn)協(xié)議的有效提供，所以它在各個平臺中開放源的代碼軟件研發(fā)中廣泛使用，則此系統(tǒng)選用Qt實(shí)施開發(fā)工作的開展，以此來對一樣的代碼可借助任何相關(guān)的支持平臺實(shí)現(xiàn)編譯、運(yùn)行，并不必對源代碼進(jìn)行修改，依據(jù)平臺變化而對平臺特有圖形的界面風(fēng)格使用和呈現(xiàn)。在本系統(tǒng)內(nèi)，所開發(fā)移動式客戶端，以安卓的操作系統(tǒng)為例設(shè)計(jì)分析。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序

3.1.1 設(shè)計(jì)燈泡控制的程序

在XBee的數(shù)字適配器內(nèi)，其一輸出端口位置以MOSFET的三極管柵極實(shí)施連接，其適配器內(nèi)+12 V的電源輸出位置以燈泡和漏極實(shí)現(xiàn)連接，且把適配器底部位置和源極做好連接，此時對輸出口位置電平控制就可以對燈泡亮滅狀態(tài)實(shí)現(xiàn)管控。

對適配器的輸出端位置電平來說，主要通過對XBee的封裝庫函數(shù)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)，此程序內(nèi)主要對xbee.ddo_ set_ param （） 和idigidata.register_ callback （）模塊使用，其中后者函數(shù)發(fā)揮回調(diào)的功能。此應(yīng)用的程序依據(jù)預(yù)先所制定協(xié)議來對指令內(nèi)容進(jìn)行解析處理，并對適配器的端口狀態(tài)實(shí)現(xiàn)控制。在此系統(tǒng)內(nèi)，一共具備6條指令的協(xié)議，它們分別是HUI4、HUI5、DA4、DA5、WU和WU5，4表示開燈，而5表示關(guān)燈，數(shù)字前面的字母表示位置不同。完成網(wǎng)關(guān)程序的部署后，借助設(shè)備云所提供API實(shí)施調(diào)試處理，能夠?qū)W(wǎng)關(guān)程序運(yùn)行的效果及時驗(yàn)證，且對后續(xù)App的開發(fā)實(shí)現(xiàn)可靠依據(jù)的提供。

3.1.2 設(shè)計(jì)傳感器的數(shù)據(jù)讀取程序

傳感器完成數(shù)據(jù)采集后，向設(shè)備云對數(shù)據(jù)實(shí)施上傳，此時網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序發(fā)揮數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)格式封裝和數(shù)據(jù)上傳等功能。

在數(shù)據(jù)獲取功能中，主要對sock.recvfrom（）的模塊實(shí)施調(diào)用，依據(jù)此函數(shù)通過近似于Socket套接字的通信方式把底層的傳感器數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)上傳，按照I/O的采樣數(shù)據(jù)手冊就能夠分別對溫度、光強(qiáng)和濕度提取。

在數(shù)據(jù)格式的封裝中，主要是把數(shù)據(jù)封裝成可標(biāo)記的語言格式，即XML，此語言是簡單化數(shù)據(jù)存儲的一種語言，在數(shù)據(jù)交換中也是當(dāng)作公共語言來使用。借助所設(shè)計(jì)fmt_ dp（）的函數(shù)能夠把數(shù)據(jù)通過XML格式實(shí)施封裝，其部分的代碼如下表示，其中的payload參數(shù)是上一步所采集數(shù)據(jù)類型。

upload_ data=fmt_dp （payload，serial _data_ 0621hz，time.time（） * 1000，String ，b6 encoded ）

在數(shù)據(jù)上傳中，主要是把已完成封裝的數(shù)據(jù)借助idigidata.send_to_idigi（）的函數(shù)向設(shè)備云傳輸，此主要的程序如下表示，其中的upload_data參數(shù)是上一步所封裝的XML數(shù)據(jù)。

status， number， error_msg = idigidata.send_to_idigi（upload_data，DataPoint/stream_ _0703dxc.xml ）

上述程序內(nèi)，DataPoint/stream _0703dxc.xml主要是在設(shè)備云內(nèi)事先所建立數(shù)據(jù)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)最終在此文件內(nèi)保存[6]。

最后，依據(jù)傳感器完成數(shù)據(jù)采集工作，且向設(shè)備云實(shí)施數(shù)據(jù)上傳處理，人們就能夠以設(shè)備云載體對數(shù)據(jù)直接查看和掌握。

3.2 設(shè)計(jì)移動式客戶端的應(yīng)用

移動式客戶端的設(shè)計(jì)主要包括用戶登錄、燈泡控制、燈泡顯示、T/H/L顯示和系統(tǒng)信息5個模塊。在客戶端UI設(shè)計(jì)中，遵循簡潔明了的原則，對監(jiān)測模式以及控制模式實(shí)施設(shè)計(jì)。

4?系統(tǒng)驗(yàn)證

對系統(tǒng)采取試運(yùn)行，各個傳感器的所在地相關(guān)的環(huán)境信息均能夠在App得到顯示，且能夠使用App對燈泡打開，還能夠在設(shè)備云內(nèi)數(shù)據(jù)服務(wù)的窗口對各類的參數(shù)走勢查看。在實(shí)驗(yàn)后證明了，此系統(tǒng)能夠?qū)鞲衅鞯乃诃h(huán)境實(shí)際溫度、光強(qiáng)和濕度實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，還能夠?qū)﹂_關(guān)進(jìn)行控制，且可把監(jiān)控的結(jié)果在移動的終端展示。

5 ? 結(jié)語

綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)階段社會發(fā)展中的重要形式，它對推動社會的現(xiàn)代化發(fā)展具有重要的價值，將物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)控中有效使用，來進(jìn)行環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，能夠有效實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控的智能化和遠(yuǎn)控化，它就有很大的應(yīng)用價值和發(fā)展?jié)摿?，還需要對相關(guān)技術(shù)不斷研究。

[參考文獻(xiàn)]

[1]戴楊，張晴暉，李俊萩，等.基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的森林環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2020（22）：52-56.

[2]朱丹，張學(xué)儉，李鋒，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的茨園環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].寧夏農(nóng)林科技，2019（1）：55-57，61，67.

（編輯 王永超）