默少麗， 王 康， 張懷超， 周寶朕， 藺 驍， 任祎龍

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)控實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)探究

默少麗， 王 康， 張懷超， 周寶朕， 藺 驍， 任祎龍

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 工程訓(xùn)練中心,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的單調(diào)性與缺乏性，以校創(chuàng)新基地水庫(kù)風(fēng)景區(qū)項(xiàng)目為背景，設(shè)計(jì)了一種結(jié)合無(wú)線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的綜合性實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。該平臺(tái)設(shè)計(jì)為感知層、傳輸層和應(yīng)用控制層的三層模塊化構(gòu)架設(shè)計(jì)，以傳感網(wǎng)構(gòu)成的感知層將風(fēng)景區(qū)底層各節(jié)點(diǎn)多傳感器數(shù)據(jù)采集融合處理，通過(guò)以無(wú)線ZigBee構(gòu)建的傳輸層將各傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)TCP/IP協(xié)議與樂(lè)聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)搭建雙向連接，完成數(shù)據(jù)鏈的雙向通信，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)顯示和遠(yuǎn)程控制功能。最后，實(shí)現(xiàn)了云平臺(tái)、APP、短信等多元終端的數(shù)據(jù)顯示與遠(yuǎn)程控制功能，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)學(xué)習(xí)起到了重要改善作用。

物聯(lián)網(wǎng)； 傳感網(wǎng)； 環(huán)境監(jiān)控； 云平臺(tái)； 科技創(chuàng)新

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT)作為我國(guó)五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，寫入政府工作報(bào)告，物聯(lián)網(wǎng)在國(guó)內(nèi)受到了極大的關(guān)注。就發(fā)展趨勢(shì)而言，物聯(lián)網(wǎng)將是下一個(gè)推動(dòng)世界高速發(fā)展的“重要生產(chǎn)力”，是繼通信網(wǎng)之后的另一個(gè)萬(wàn)億級(jí)市場(chǎng)。但是由于物聯(lián)網(wǎng)在我國(guó)剛剛起步，從事該行業(yè)的高端人才比較匱乏，為了給這個(gè)新興行業(yè)及時(shí)輸送人才以滿足需求，教育部下發(fā)了關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)開(kāi)設(shè)申請(qǐng)，各大高等高職院校紛紛開(kāi)設(shè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)專業(yè)[1]。新專業(yè)的開(kāi)設(shè)離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)，但是市場(chǎng)上的實(shí)驗(yàn)設(shè)備或者實(shí)訓(xùn)平臺(tái)造價(jià)昂貴并且實(shí)現(xiàn)功能單調(diào)，不能很好的結(jié)合其他傳知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的推廣造成阻礙，因此，自行開(kāi)發(fā)一套物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)不僅可以滿足本科專業(yè)的應(yīng)用需求，同時(shí)也鍛煉了開(kāi)發(fā)隊(duì)員的團(tuán)隊(duì)合作能力。

1 平臺(tái)建設(shè)背景及必要性

該平臺(tái)是以學(xué)校的科技創(chuàng)新基地項(xiàng)目為背景，一方面是為了總結(jié)科技創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn);另一方面是為了建設(shè)完成一批功能較為完善、符合科技創(chuàng)新特征、涵蓋全校工科專業(yè)特點(diǎn)的綜合性實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，同時(shí)，改進(jìn)學(xué)生科技創(chuàng)新培養(yǎng)思路，實(shí)現(xiàn)分層次、立體化創(chuàng)新培養(yǎng)模式，讓更多學(xué)生投身其中，促進(jìn)專業(yè)學(xué)習(xí)效能，努力提高學(xué)生專業(yè)素質(zhì)、培養(yǎng)創(chuàng)新能力，提高就業(yè)質(zhì)量[2]。

平臺(tái)與嵌入式、網(wǎng)絡(luò)通信、傳感器、自動(dòng)識(shí)別等技術(shù)相關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)的一大特點(diǎn)就是諸多技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多終端共享與交互[3]。因此，建設(shè)基于環(huán)境監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)在一定程度上可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和融匯多門學(xué)科的系統(tǒng)知識(shí)。因此，該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可以對(duì)相關(guān)專業(yè)學(xué)生的應(yīng)用技術(shù)能力的培養(yǎng)和實(shí)踐操作水平的提高起到重要的作用[4]。

2 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)系統(tǒng)組成

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是以水庫(kù)風(fēng)景區(qū)的環(huán)境監(jiān)控為背景設(shè)計(jì)的，從邏輯層面看，主要分為：感知層，傳輸層和應(yīng)用控制層[5]。感知層主要由溫濕度，煙霧火焰，風(fēng)速壓力等各類傳感器以及光伏電池板、風(fēng)輪發(fā)電機(jī)和電磁閥等構(gòu)成；傳輸層運(yùn)用了兩種信息傳輸方式:①無(wú)線Zigbee組成的底層無(wú)線傳感網(wǎng)，②無(wú)線wifi構(gòu)建的與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用控制層主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、分析以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反向控制等功能設(shè)計(jì)。

從結(jié)構(gòu)層面看，該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的底層主要分為四大部分：山體部分、大壩及壩橋部分、上下水湖部分、觀光電梯部分，為實(shí)現(xiàn)不同模塊的不同實(shí)驗(yàn)功能，每部分單獨(dú)設(shè)計(jì)控制模塊，控制模塊將完成傳感器數(shù)據(jù)的采集上傳、控制指令的解析以及底層分節(jié)點(diǎn)之間信息的交換等任務(wù)。圖1為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

2.2 系統(tǒng)工作原理

在實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的監(jiān)控系統(tǒng)中，每個(gè)底層模塊控制器上都安裝有無(wú)線Zigbee模塊，這些無(wú)線Zigbee模塊組成自組織網(wǎng)絡(luò)，用來(lái)交換有關(guān)數(shù)據(jù)上傳的信息[6]，以確保傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈的完整性。在每個(gè)模塊都將傳感器采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)主節(jié)點(diǎn)后，主節(jié)點(diǎn)通過(guò)外部提供的網(wǎng)絡(luò)wifi環(huán)境將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示，并通過(guò)訪問(wèn)云平臺(tái)的API接口或外部TCP服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢以及遠(yuǎn)程控制等相關(guān)功能。圖2為系統(tǒng)原理圖。

以反向控制功能為例介紹系統(tǒng)的具體工作原理。在客戶端發(fā)送控制命令后，云平臺(tái)會(huì)將收到的控制命令發(fā)送給TCP服務(wù)器，服務(wù)器轉(zhuǎn)換格式后下發(fā)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將解析的指令有針對(duì)性的下發(fā)給對(duì)應(yīng)的分節(jié)點(diǎn)，分節(jié)點(diǎn)在執(zhí)行了具體的操作后，檢查是否執(zhí)行成功，并將判斷出的信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)則將收到的信息推送給給服務(wù)器，服務(wù)器再回復(fù)給平臺(tái)，平臺(tái)根據(jù)收到的信息顯示提示是否執(zhí)行成功的消息框，以此來(lái)完成反控操作。

圖1 實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)原理圖

3 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)在于傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)構(gòu)建。在這兩部分實(shí)驗(yàn)中，傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：傳感器選型、數(shù)據(jù)融合、通信協(xié)議制定、以及多節(jié)點(diǎn)傳感網(wǎng)搭建，而物聯(lián)網(wǎng)部分主要包括：網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議制定、云平臺(tái)設(shè)計(jì)等。其中，傳感網(wǎng)的通信協(xié)議采用的是普通幀格式形式，而物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議采用的是TCP/IP協(xié)議[7]。另外，云平臺(tái)設(shè)計(jì)主要包括API接口調(diào)用、TCP服務(wù)器綁定以及顯示界面的設(shè)計(jì)等。

該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)針對(duì)的是物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的單調(diào)與缺乏性，因此，在設(shè)計(jì)該平臺(tái)時(shí)，需要考慮實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的綜合性、延伸性以及實(shí)用性，為更加詳細(xì)的闡述該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的功能，以下將重點(diǎn)從傳感網(wǎng)構(gòu)建、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行介紹[8]。

3.1 傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

傳感網(wǎng)實(shí)驗(yàn)部分，主要綜合傳感器選型、傳感器采集數(shù)據(jù)的處理以及傳感節(jié)點(diǎn)之間的通信方式三部分的功能子實(shí)驗(yàn)。

在硬件選型上，該平臺(tái)涉及到的傳感器執(zhí)行器較多，主要包括風(fēng)速、紅外、超聲、火焰、煙霧、壓力、溫濕度、電壓電流、等傳感器以及繼電器、電機(jī)、電磁閥等執(zhí)行器構(gòu)成，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)可以更好地了解并熟悉不同類型傳感器的工作原理，初始數(shù)據(jù)采集的處理方式，最重要的是學(xué)會(huì)對(duì)新的硬件功能模塊熟悉和使用，這對(duì)以后的學(xué)習(xí)有很大的幫助[9]。

考慮到平臺(tái)的實(shí)用性以及應(yīng)用對(duì)象，平臺(tái)中構(gòu)建的傳感網(wǎng)為小范圍局域傳感網(wǎng)，其目的是讓學(xué)生學(xué)習(xí)了解傳感網(wǎng)的構(gòu)建原理與方式。該設(shè)計(jì)中，傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理單元采用的是Cortex-M3系列的STM32F103VET6單片機(jī)，通信單元采用的是無(wú)線ZigBee模塊。另外，為更好地解釋傳感網(wǎng)組建形式，讓學(xué)生明白組網(wǎng)的實(shí)際形成原理，設(shè)計(jì)中將自組織多跳組網(wǎng)方式[10]，設(shè)計(jì)成定點(diǎn)連接組網(wǎng)，即節(jié)點(diǎn)在測(cè)量自身周圍目標(biāo)環(huán)境的數(shù)據(jù)后，向既定的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，以此來(lái)完成節(jié)點(diǎn)間的連接，在理解組網(wǎng)方式的基礎(chǔ)上，該部分也可拓展為自組織多跳組網(wǎng)方式，充分體現(xiàn)了該平臺(tái)的綜合性與延伸性[11]。

為了方便傳感網(wǎng)的構(gòu)建，快捷有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，減少運(yùn)行時(shí)間，該設(shè)計(jì)對(duì)每個(gè)底層節(jié)點(diǎn)的無(wú)線ZigBee模塊和模塊子功能都進(jìn)行了編碼，同時(shí)也對(duì)底層各模塊之間內(nèi)容的傳輸制定了傳輸協(xié)議，命令幀格式和響應(yīng)幀格式采用了相同的格式，并且由于各模塊子功能較多，所以該協(xié)議采用的是雙ID的模式，即一個(gè)編碼ID確定節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)編碼ID確定功能[12]。表1為數(shù)據(jù)幀格式。

表1 通信協(xié)議幀格式

3.2 物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)的主要功能是實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)上傳以及平臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在所接收到的數(shù)據(jù)超過(guò)所設(shè)定的上下指標(biāo)值時(shí)執(zhí)行方向控制操作，并向客戶終端推送示警報(bào)告，報(bào)告形式包括微信、微博及短信，用戶在收到報(bào)告后，可進(jìn)行自主反向控制。

在云平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，主要綜合API接口調(diào)用、TCP服務(wù)器綁定以及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的制定等內(nèi)容。服務(wù)器的每個(gè)API接口都對(duì)應(yīng)著其特定的功能[13]，在平臺(tái)中，掉用的API 接口有兩種，一種是數(shù)據(jù)上傳所調(diào)用的V1接口，另一種是反向控制時(shí)，控制指令下發(fā)接口為8080。該子實(shí)驗(yàn)更好的幫助學(xué)生學(xué)習(xí)了解服務(wù)器的調(diào)用原理以及調(diào)用方式，明白通信協(xié)議的具體制定方式及含義。調(diào)用API上傳數(shù)據(jù)的協(xié)議格式為：

curl --request POST http://www.lewei50.com/api/V1/Gateway/UpdateSensors/01 --data “[{′Name′:′T1′,′Value′:′23′}]” --header “userkey : ********* ”

此外，為了保持服務(wù)器實(shí)時(shí)在線，需要對(duì)服務(wù)器進(jìn)行綁定設(shè)置，其綁定形式一般是在一定的時(shí)間間隔內(nèi)向服務(wù)器發(fā)送心跳包，服務(wù)器通過(guò)心跳包來(lái)確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及實(shí)時(shí)性。心跳包格式為：

(“{“ method ” : ” update ” , ” gatewayNo ” : ” ** ” , ” userkey ” : ” ******** ”}&^!”) ;

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)部分主要是幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)了解網(wǎng)絡(luò)通信方式的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)服務(wù)器的API調(diào)用方式，并綜合云平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)與底層傳感網(wǎng)的結(jié)合，以達(dá)到傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)上傳效果[14]。

4 結(jié) 語(yǔ)

總的來(lái)說(shuō)，建立高校物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)是實(shí)踐操作學(xué)習(xí)的有效途徑，該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)從最基本的底層傳感器數(shù)據(jù)的采集融合到較復(fù)雜邏輯層的應(yīng)用控制設(shè)計(jì)，涵蓋的三個(gè)層面的設(shè)計(jì)應(yīng)用，可以有效地強(qiáng)化學(xué)生在教學(xué)活動(dòng)中的思維水平，增強(qiáng)學(xué)生在教學(xué)中的思考程度，對(duì)教學(xué)質(zhì)量有明顯提高。

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Research on the Design of Training Platform for Environmental Monitoring Based on Internet of Things

MOShao-li,WANGKang,ZHANGHuai-chao,ZHOUBao-zhen,LINXiao,RENYi-long

(School of Information Engineering of IMUST， Baotou 014010， China)

In view of the monotonicity and the lack of professional experiment for the Internet of Things, a combination of wireless sensor network and the Internet of Things integrated training platform is designed. The platform takes a three layers modular architecture design, i.e., perception layer, transport layer and control layer. The perception layer which is composed of sensor network fusion processes multi sensor data and sends to the gateway node, the gateway node builds a two-way connection with the cloud platform by using TCP/IP to complete the two-way communication of data chain and realized the cloud platform data display and remote control function. Finally, the cloud platform, APP, SMS and the terminal control and display are realized. It has played an important role on the network of laboratory construction.

Internet of Things; sensor network; environment monitoring； cloud platform; technological innovation

2015-09-06

默少麗(1960-)，女，河北新樂(lè)人，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要從事電子實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究。Tel.：157 7125 0128;E-mail：hswkcg@126.com

G 642.0

A

1006-7167(2016)08-0235-03