薛鴻民 王煒卓

摘?要：隨著物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測行業(yè)迅猛發(fā)展。但目前很多環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施依舊存在簡陋、陳舊，且缺乏現(xiàn)代化的缺憾。為了更加高效精準(zhǔn)地獲取當(dāng)前室內(nèi)環(huán)境的各類信息，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息精準(zhǔn)監(jiān)測，我們設(shè)計(jì)了一種基于OneNET云平臺的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZigBee開發(fā)板，以CC2530芯片作為數(shù)據(jù)處理的核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，并通過智能感知、存儲以及計(jì)算與室內(nèi)環(huán)境的多維度數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于多源感知節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)環(huán)境智能監(jiān)測與自動控制等功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)??室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測??OneNET云平臺??ZigBee無線通信

中圖分類號：X924?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

The?Indoor?Environmental?Monitoring?System?Based?on?the?OneNET?Cloud?Platform

XUE?Hongmin??WANG?Weizhuo

（School?of?Information?Engineering，Shaanxi?Xueqian?Normal?University，Xian?，Shaanxi?Province，710100?China）

Abstract：?With?the?development?of?Internet?of?Things，?blockchain，?big?data?and?artificial?intelligence，?the?environmental?monitoring?industry?is?booming.?However，?at?present，?lots?of?environmental?infrastructure?has?the?regret?of?simplicity，?oldness?and?lacking?modernization.?In?order?to?obtain?more?efficiently?and?accurately?all?kinds?of?information?of?the?current?indoor?environment，?and?achieve?the?accurate?monitoring?of?environmental?information，?we?design?a?kind?of?indoor?environmental?monitoring?system?based?on?the?OneNET?cloud?platform.?This?system?adopts?the?ZigBee?development?board，?takes?the?CC2530?chip?as?the?core?of?data?processing?to?realize?the?wireless?transmission?of?data，?and?realizes?the?intelligent?monitoring?and?automatic?control?of?indoor?environment?based?on?multi-source?perception?nodes?through?the?technologies?of?intelligent?perception?and?storage，?and?the?multi-dimensional?data?fusion?of?computation?and?indoor?environment.

Key?Words：?Internet?of?Things;?Indoor?environmental?monitoring;?OneNET?cloud?platform；ZigBee?wireless?communication

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對生活質(zhì)量有著高品質(zhì)的要求，智能化環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生，涉及有居住環(huán)境的監(jiān)測、農(nóng)業(yè)種植的監(jiān)測，或是畜牧業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境的監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。該系統(tǒng)能夠更加精準(zhǔn)地監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，集成對環(huán)境信息的智能感知，數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換以及無線傳輸和智能分析與處理的自動化模式，便于用戶的可視化操作。室內(nèi)環(huán)境中的溫濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度等參數(shù)是十分重要的影響因素，因此對這些因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測以及數(shù)據(jù)分析具有重要作用。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一種基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺系統(tǒng)，結(jié)合ZigBee自組網(wǎng)和Wi-Fi通信模塊實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，相較于以往的監(jiān)測與控制系統(tǒng)更加高效、精準(zhǔn)、節(jié)能[1]。

1?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于OneNET云平臺的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、ZigBee無線通信技術(shù)、云計(jì)算等智能控制技術(shù)[2]。通過ZigBee設(shè)備驅(qū)動終端上的溫濕度傳感器、光敏電阻及有害氣體傳感器，對室內(nèi)的各項(xiàng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知與數(shù)據(jù)采集，并發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備，并以自組多跳的方式傳輸至用戶電腦端。采集的主要數(shù)據(jù)有：光照的強(qiáng)弱變化、有害氣體侵入、溫濕度的躍變等。利用無線采集終端傳感節(jié)點(diǎn)將采集到的各項(xiàng)信息發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備，由協(xié)調(diào)器設(shè)備將數(shù)據(jù)通過Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)串口通信并塊送到中國移動OneNET云平臺數(shù)據(jù)服務(wù)器，用戶使用連接網(wǎng)絡(luò)的移動終端設(shè)備登錄OneNET管理平臺就可以查看室內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)以及下發(fā)控制設(shè)備命令[3]。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2?硬件設(shè)計(jì)

2.1?傳感器模塊

傳感器模塊包括溫濕度傳感器、光敏電阻和有害氣體傳感器。溫濕度傳感器（DHT11）是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的復(fù)合傳感器，該傳感器利用溫（濕）敏元件的電氣特性隨溫濕度的變化而變化的原理進(jìn)行溫濕度測量，具有體積小、功耗低，超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、連接方便等優(yōu)點(diǎn)；光敏電阻（GM5516）是一種半導(dǎo)體材料制成的電阻，其電導(dǎo)率隨著光照強(qiáng)度的變化而變化，具有靈敏度高、反應(yīng)速度快、光譜特性及r值一致性好等特點(diǎn)；有害氣體傳感器（MQ-135）在較寬的濃度范圍內(nèi)對有害氣體有良好的靈敏度，對氨氣、硫化物、苯系蒸汽，煙霧和其他有害氣體的監(jiān)測十分理想。

2.2?ZigBee控制模塊

gai系統(tǒng)以ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，Zigbee無線通信技術(shù)以Z-stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)，用戶在開發(fā)時(shí)只需要調(diào)用API接口即可實(shí)現(xiàn)操作。終端節(jié)點(diǎn)通過點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)送函數(shù)，使用協(xié)議棧定時(shí)發(fā)送功能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。微控制器采用cc2530芯片，支持片上系統(tǒng)SoC解決方案，遵循IEEE?802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，射頻收發(fā)器為2.4?GHz，具有256KB可編程閃存以及21個(gè)可編程I/O引腳[4]。

將基于ZigBee芯片的智能硬件模塊嵌入室內(nèi)環(huán)境中，從而構(gòu)建具有無線通信的智能控制設(shè)備。室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程控制和自動控制兩種模式，由全功能協(xié)調(diào)器創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)并協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中的安全層和應(yīng)用層的綁定，終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后在協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)之間建立綁定連接，綁定成功后終端節(jié)點(diǎn)開始采集數(shù)據(jù)[5]。網(wǎng)絡(luò)中的各傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到Zigbee協(xié)調(diào)器上，協(xié)調(diào)器通過特定的API接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，隨后由Wi-Fi模塊上傳至OneNET云平臺，用戶可通過PC端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看以及設(shè)備的自動控制。協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備的交互流程如圖2所示。

2.3?Wi-Fi模塊

Wi-Fi屬于物聯(lián)網(wǎng)傳輸層，是建立網(wǎng)絡(luò)連接和通信的手段，它對應(yīng)一套通信的規(guī)則，保證讓兩個(gè)節(jié)點(diǎn)能互相連接，設(shè)備建立連接后，通過TCP/IP和UDP等協(xié)議，傳輸數(shù)據(jù)，建立網(wǎng)絡(luò)通信連接。與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相比，Wi-Fi具有覆蓋范圍廣、傳輸速度快、組網(wǎng)簡單、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。

本系統(tǒng)選用ESP8266（AP+Station模式）低功耗Wi-Fi模塊，通過smartconfig通信協(xié)議，使用在同一Wi-Fi下建立局域網(wǎng)，路由器Wi-Fi與ESP8266串口進(jìn)行通信配置，使用Lua腳本語言添加值數(shù)據(jù)點(diǎn)到table中、將table序列化成json字符串、解析設(shè)備上傳數(shù)據(jù)、接入私有協(xié)議私有協(xié)議0x5A?0x5A?LEN?CMD?PAYLOAD?0xA5，添加應(yīng)用，綁定到對應(yīng)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)端和電腦端的遠(yuǎn)程控制。

3?軟件設(shè)計(jì)

3.1?串口通信界面設(shè)計(jì)

界面設(shè)計(jì)采用C#語言開發(fā)電腦端App，App電腦控制界面是通過UART串口和硬件模塊進(jìn)行基礎(chǔ)通信的，其中UART庫函數(shù)判斷click按鍵事件的發(fā)送，根據(jù)鍵值判斷所發(fā)送的數(shù)據(jù)，打包命令并發(fā)送至硬件，完成整個(gè)硬件的控制與數(shù)據(jù)可視化部分。

3.2?云平臺界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)基于中國移動OneNET云平臺實(shí)現(xiàn)。OneNET云平臺操作簡單，設(shè)計(jì)內(nèi)容豐富，可以按照自己的需求自定義軟件設(shè)計(jì)界面。用戶登錄ONENET平臺，進(jìn)入開發(fā)者中心，選擇公共協(xié)議產(chǎn)品，即可創(chuàng)建自己的產(chǎn)品。在設(shè)備管理中上傳解析腳本，發(fā)送登錄報(bào)文到OneNET接入服務(wù)器進(jìn)行鑒權(quán)，即可登錄成功。在界面上設(shè)置傳感器觸發(fā)條件，當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到閾值條件時(shí)，觸發(fā)器觸發(fā)，則OneNET云平臺向綁定的通訊設(shè)備發(fā)送觸發(fā)提醒，可以實(shí)現(xiàn)自動控制設(shè)備的功能[6]。OneNET云平臺用戶控制界面如圖3所示。

4?系統(tǒng)測試與分析

本系統(tǒng)在測試時(shí)分為手動功能的測試、云平臺功能的測試、自動補(bǔ)光功能的測試、自動通風(fēng)換氣功能的測試這4個(gè)部分，具體如表1～表4所示。

綜合表1～表4可知：在任意狀態(tài)下，手動控制功能、云平臺控制功能、自動補(bǔ)光與通風(fēng)換氣皆可響應(yīng)操作。故而整個(gè)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測試結(jié)果符合功能的需求。

5?結(jié)語

本系統(tǒng)以ZigBee?cc2530為核心，利用無線通信和OneNET云平臺的特性，設(shè)計(jì)出一套基于OneNET云平臺的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過多種傳感器的協(xié)調(diào)工作進(jìn)行室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可以讓用戶隨時(shí)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制設(shè)備，監(jiān)控整個(gè)室內(nèi)環(huán)境，構(gòu)建智能室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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