程洋　黃繪　劉鑫爽

【摘 要】基于物聯(lián)網的技術架構，設計一種新型自主式的家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)；詳細介紹了系統(tǒng)的三層架構模型，系統(tǒng)各層的設計方案和主要技術；經過實驗測試，系統(tǒng)能夠依據用戶設定的狀態(tài)自主、安全和穩(wěn)定地運行，多用戶可同時使用，整個系統(tǒng)結構清晰，方便維護和升級。

【關鍵詞】物聯(lián)網 ZigBee CC2430 ASP.NET B/S架構

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】 A

【文章編號】0450-9889（2015）06C-0184-03

近年來，被看作信息領域一次重大的發(fā)展和變革機遇的物聯(lián)網技術得到了快速的發(fā)展?！拔锫?lián)網”的概念由美國麻省理工學院自動識別中心（Auto-ID）提出，主要以無線傳感器網絡和射頻識別技術為支撐。物聯(lián)網被認為是繼計算機、互聯(lián)網之后世界信息產業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，也被世界各國作為未來經濟發(fā)展的主要增長點。

物聯(lián)網可應用于智能家居、智能農業(yè)、智能交通、智能電網、智能安防、智能醫(yī)療等領域。隨著近十年世界范圍內的IT產業(yè)快速發(fā)展，相應的傳感技術、通信技術和計算機技術也取得突飛猛進的發(fā)展。我們國家居民生活水平顯著提高，對與自己息息相關的家居環(huán)境也有了新的、更高的要求。設計一種新型的家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)模型，實現(xiàn)了對家庭溫度、濕度、亮度和煤氣濃度的動態(tài)監(jiān)控，用戶能夠設置家居內相應時段不同的溫度、濕度、亮度，系統(tǒng)會依據用戶設置自動監(jiān)控家居狀態(tài)，滿足日常生活。該系統(tǒng)模型比傳統(tǒng)的使用本地智能網關控制或家居內計算機控制的智能家居模型更加便捷、實用、高效，在系統(tǒng)日常維護、平臺移植與擴展、大數(shù)據管理等方面具有明顯優(yōu)勢。

一、系統(tǒng)總體方案設計

一般認為物聯(lián)網典型的技術體系結構分為感控層、網絡層、應用層三大層次，本文設計的家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的整體設計方案如圖1所示，整個系統(tǒng)結構分為三層，分別負責家居內基礎信息的采集和外設控制、系統(tǒng)內數(shù)據信息的傳遞、系統(tǒng)數(shù)據信息的管理和系統(tǒng)功能應用等功能。圖2為該系統(tǒng)的硬件結構示意圖，用戶家居處于感控層中，主要包括家居內環(huán)境參數(shù)采集和控制的相關傳感器和設備，網絡層是一個智能網關，負責數(shù)據透傳，應用層是本系統(tǒng)服務器，負責接收和處理網絡層上傳的數(shù)據，向感控層發(fā)送數(shù)據，大數(shù)據存儲與管理等。

二、感控層的設計與實現(xiàn)

家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的感控層在功能上分為兩部分：一是數(shù)據采集與執(zhí)行。數(shù)據采集主要是運用傳感器對家庭內的溫度、濕度、亮度、煤氣濃度狀態(tài)進行基礎信息采集。執(zhí)行主要是負責接收和解析系統(tǒng)服務器發(fā)送來的控制命令，讀取或改變相應外設（如燈具、空調等家電）的工作狀態(tài)。二是短距離無線通信。短距離無線通信主要用來完成像家居內這種小范圍內的多個物品的信息集中與傳遞。由于無線短距離通信技術具有靈活安裝、可移動性強等特點，使其越來越多地被應用于智能系統(tǒng)中。目前技術比較成熟和常用的無線短距離通信技術有：Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、超寬帶。本設計選用了ZigBee無線通信方式，它相比其他幾種通信方式具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量等優(yōu)勢。

ZigBee協(xié)議的物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規(guī)定，可工作在2.4GHz、868MHz和915 MHz共3個頻段上。ZigBee網絡中的設備可分為協(xié)調器（Coordinator）、匯聚節(jié)點（Router）、傳感器節(jié)點（EndDevice）三種負責不同功能的角色。無信息傳輸時，傳感器節(jié)點可處于休眠狀態(tài)，當有信息傳輸時可自動喚醒進行數(shù)據傳遞，多節(jié)點以接力的方式傳遞信息，通信效率非常高，但功耗很低。ZigBee網絡拓撲結構有星型、樹型和網狀三種。為滿足穩(wěn)定性要求，本設計選用了網狀拓撲結構。

根據家居環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)內網和ZigBee技術的特點，本設計中的ZigBee無線網絡主要由路由器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點兩種節(jié)點類型組成。其中路由器節(jié)點不僅負責家居環(huán)境內相關數(shù)據（溫度值、濕度值、亮度值、煤氣濃度值、設備工作狀態(tài)值等）的采集，還負責網絡的管理與節(jié)點間的數(shù)據傳輸，控制外設的工作狀態(tài)；協(xié)調器節(jié)點主要負責網絡的建立、各路由節(jié)點的管理、數(shù)據的處理以及對外的接口。

本系統(tǒng)所采用的設備是搭載有TI/Chipcon公司生產的用于2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee片上系統(tǒng)解決方案CC2430芯片的節(jié)點，負責家居內所有信息的采集、傳遞和外設控制。

三、網絡層的設計與實現(xiàn)

網絡層負責數(shù)據在系統(tǒng)感控層和應用層之間快速、安全、可靠地傳送。網絡層的通信功能主要由智能網關負責，使用Socket通信方式。由于因特網的通信特點，該智能網關需要設置靜態(tài)IP，同時工作于服務端和客戶端兩種模態(tài)下。工作在服務端模態(tài)下時，主要是接收系統(tǒng)服務器發(fā)送的數(shù)據（網關自動判斷是否是本網關需要接收的數(shù)據，主要由通信協(xié)議中包含的IP地址決定），并將數(shù)據解析后發(fā)送至本網關連接的家居監(jiān)控網絡中。工作在客戶端模態(tài)下時，主要是接收到感控層上傳的信息后，主動連接系統(tǒng)服務器，將信息發(fā)送至系統(tǒng)服務器。

由于智能網關連接了互聯(lián)網和ZigBee網絡兩個網絡，因此為保證數(shù)據正常傳遞，智能網關必須能夠進行ZigBee協(xié)議和TCP/IP協(xié)議之間的轉換。本設計中采用協(xié)調器和網關通過串口直接連接，先由ZigBee硬件完成ZigBee協(xié)議與RS-232協(xié)議的轉換，再由網關實現(xiàn)RS-232協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的轉換，最終實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議和ZigBee協(xié)議的高效轉換，智能網關工作流程如圖3所示。

四、應用層的設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)應用層是整個系統(tǒng)的“大腦”，主要功能是完成網關上傳的數(shù)據的接收、匯總、互通、分析、決策，數(shù)據下發(fā)等功能，是整個系統(tǒng)的控制和決策中心。根據物聯(lián)網關于應用層的定義，本設計的應用層具體包括兩部分：一個是系統(tǒng)服務器；另一個是終端設備。系統(tǒng)服務器負責所有數(shù)據的接收、分析、存儲、修改，根據控制算法進行決策和控制命令發(fā)送等。終端設備是電腦、智能手機等智能終端，用戶可通過這些設備搭載的Web瀏覽器訪問系統(tǒng)服務器發(fā)布的網站站點，實現(xiàn)系統(tǒng)功能的使用，而不再是傳統(tǒng)的在終端上安裝相應的軟件，這就大大降低了對用戶的硬件要求，增強了系統(tǒng)的實用性。

系統(tǒng)服務器由Web站點服務器、業(yè)務處理服務器、數(shù)據庫服務器三部分組成，分別完成Web頁面發(fā)布、數(shù)據接收和控制決策、數(shù)據管理等功能，如圖4所示即為系統(tǒng)服務器的架構圖，三個服務器是分別設計和獨立運行的，但又是相互關聯(lián)的，其中業(yè)務處理服務器與Web服務器通過數(shù)據庫服務器進行連接和數(shù)據交換。

（一）Web服務器

為減輕客戶端的負擔，增加系統(tǒng)實用性，Web服務器的設計采用了目前流行的瀏覽器/服務器（browser/server，B/S）結構模型。B/S結構下的應用程序、邏輯處理和數(shù)據全部集中安放在Web服務器上，而用戶只需要統(tǒng)一使用瀏覽器即可訪問Web服務器，通過用戶界面使用本系統(tǒng)功能。

系統(tǒng)采用的是Microsoft的Web服務器Internet Information Server（IIS），網站開發(fā)技術使用的是ASP.NET。ASP.NET技術具有很高的頁面處理速度和運行效率，節(jié)省系統(tǒng)資源，完全面向對象，具有平臺無關性且安全可靠，特別適合應用于頁面和遠程系統(tǒng)服務器之間數(shù)據交互比較頻繁的系統(tǒng)。數(shù)據訪問采用了與ASP.NET同一框架（.NET Framework ）下的ADO.NET技術，實現(xiàn)Web服務器與SQL Server 2008數(shù)據庫的數(shù)據交互。ADO.NET確保了Web服務器能夠根據用戶的需求快速、準確地訪問到數(shù)據庫，實現(xiàn)數(shù)據的存儲、查詢、更新和刪除等操作。

（二）數(shù)據庫服務器

本系統(tǒng)的數(shù)據庫服務器采用Microsoft SQL Server 2008設計，主要負責存儲和管理系統(tǒng)內的所有數(shù)據，具體操作由Web服務器和業(yè)務處理服務器調用。數(shù)據庫服務器共設置了用戶信息管理模塊、用戶設置管理模塊、室內環(huán)境狀態(tài)管理模塊和設備狀態(tài)管理模塊四個模塊。數(shù)據庫服務器是一個“被動”服務器，只負責數(shù)據的存儲和管理，存儲的數(shù)據是由業(yè)務處理服務器或Web服務器寫入、刪除或修改。

（三）業(yè)務處理服務器

業(yè)務處理服務器工作于服務端模式，向智能網關開放服務器端的IP和端口，時刻偵聽智能網關是否有數(shù)據上傳。接收數(shù)據后，會進行數(shù)據包的解析、數(shù)據類型分析、數(shù)據提取、邏輯處理和控制決策。其中的業(yè)務處理功能可分為兩個部分：第一部分是將系統(tǒng)感控層上傳來的數(shù)據或處理結果準確存儲到數(shù)據庫中，保障業(yè)務處理服務器程序和Web服務器程序進行合法查詢；第二部分是系統(tǒng)輪詢服務，系統(tǒng)能夠實時不斷地查詢所有用戶的設置信息，根據用戶設置和當前家居狀態(tài)進行控制決策，判斷當前系統(tǒng)時間是否到達用戶設置的某個子狀態(tài)的更改時刻，如果滿足條件，會根據用戶設置更改和控制家庭內部的環(huán)境狀態(tài)。業(yè)務處理服務器運行界面如圖5所示。

在實驗室條件下，經過實際測試，該系統(tǒng)能夠智能、穩(wěn)定地工作，達到預期目標，如圖6所示。采用三層架構的系統(tǒng)模型的結構十分清晰，既可節(jié)約投資成本，又方便維護、升級和改造。此外，可將系統(tǒng)服務器移植到云平臺（如微軟Azure云平臺、IBM云平臺、新浪云平臺等），借助云平臺強大的計算和存儲能力，能夠在處理和儲存能力、穩(wěn)定性、安全性和可移植性上獲得高幅提升，具有較好的應用前景。

【參考文獻】

[1]高守瑋，吳燦陽，楊超等. ZigBee技術實踐教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2011

[2]陳彥明，王秋光.ZigBee的msstatePAN協(xié)議棧移植[J].單片機與嵌入式應用，2008，4（9）

【作者簡介】程 洋（1988- ），男，廣西柳州人，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術學院講師，研究方向：鐵道供電與智能控制。黃 繪（1973- ），女，廣西柳州人，工程碩士，柳州鐵道職業(yè)技術學院講師，研究方向：鐵道供電。劉鑫爽（1987- ），女，廣西柳州人，碩士，柳州鐵道職業(yè)技術學院講師，研究方向：智能控制。

（責編 丁 夢）