王慶福　馮英偉　王宏宇

摘要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為智能化的代表性技術(shù)，通過大量的傳感器、攝像頭和高速的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)請求的快速應(yīng)答，特別是在大型監(jiān)控系統(tǒng)中能夠提供優(yōu)良的性能，智能化校園系統(tǒng)如此龐大的服務(wù)系統(tǒng)誠然需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供各項(xiàng)數(shù)據(jù)監(jiān)控和快速應(yīng)答服務(wù)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能化校園；監(jiān)控服務(wù)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）10-0298-03

云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展推動了各行各業(yè)的不斷進(jìn)步，隨著高校信息化水平的不斷提升，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)方式已經(jīng)越來越不能滿足高校的需求，智能化校園越來越多的出現(xiàn)在人們的視野中并逐漸成為一種趨勢，利用當(dāng)前云服務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)提升校園服務(wù)的能力和水平是高校未來信息化發(fā)展的重要目標(biāo)。智能化校園是集成各類型的數(shù)據(jù)資源形成最快捷的數(shù)據(jù)服務(wù)方式，通過以物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)為基礎(chǔ)依托的一體化校園管理系統(tǒng)。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能系統(tǒng)框架研究

物聯(lián)網(wǎng)根據(jù)其技術(shù)形態(tài)主要分為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)通信層和上層應(yīng)用層。數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)最原始數(shù)據(jù)的收集；數(shù)據(jù)通信層作為連接數(shù)據(jù)采集層和上層應(yīng)用層的紐帶，一方面需要將數(shù)據(jù)采集層的原始數(shù)據(jù)傳輸給上層應(yīng)用層 [1]，另一方面需要將上層應(yīng)用層的控制信號下發(fā)給數(shù)據(jù)采集層；上層應(yīng)用層也可以稱之為控制交互層，是直接與用戶進(jìn)行互聯(lián)的部分，直接負(fù)責(zé)終端用戶的操作。

對于智能化系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)采集層需要收集多種數(shù)據(jù)信號，溫度傳感器收集溫度信號、氣壓傳感器收集氣壓信號、濕度傳感器收集濕度信號，另外還需要配備紅外探測器和攝像頭等采集視頻和圖像信息，這些傳感器都可以通過嵌入式技術(shù)內(nèi)置在前端設(shè)備中，這些傳感器提取的數(shù)據(jù)信息會通過數(shù)據(jù)通信層實(shí)時上報(bào)給上層應(yīng)用層。數(shù)據(jù)通信層的設(shè)計(jì)需要兼容底層和上層的通信協(xié)議[2]，底層組網(wǎng)主要采用ZigBee組網(wǎng)方式，ZigBee組網(wǎng)因設(shè)備低廉組網(wǎng)方便并且短距離傳輸速度快，上層通信則采用4G網(wǎng)絡(luò)，4G網(wǎng)絡(luò)能夠應(yīng)對設(shè)備快速切換網(wǎng)絡(luò)并且可以無縫接入其他網(wǎng)絡(luò)中。綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能系統(tǒng)框架如圖1所示。

1.1 ZigBee前端組網(wǎng)研究

ZigBee技術(shù)基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的通信組網(wǎng)協(xié)議，具有組網(wǎng)方便、時延小，低能耗和傳輸快等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee無線傳輸模塊的傳感節(jié)點(diǎn)在耗損極小能量的情況下即可以實(shí)現(xiàn)各個傳感器之間數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)適配[3]，能夠以迭代的方式將無線通訊數(shù)據(jù)從一個傳感節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€傳感節(jié)點(diǎn)，這種優(yōu)勢能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境下零部件耗損問題，本文主要基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建前端數(shù)據(jù)的無線傳感網(wǎng)。

無線傳感網(wǎng)通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布置大量零部件采集實(shí)時數(shù)據(jù)信號，大量的數(shù)據(jù)采集器能夠?qū)⒔^大多數(shù)場景下的環(huán)境參數(shù)收集獲取并上報(bào)，可以理解為無線傳感網(wǎng)涵蓋了智能電源監(jiān)控系統(tǒng)的兩大重要部分?jǐn)?shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)通行層，基于ZigBee協(xié)議的組網(wǎng)算法能夠?qū)崿F(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)之間快速數(shù)據(jù)交換，這在很大程度上很好地契合了智能電源監(jiān)控系統(tǒng)的要求，多地多時刻數(shù)據(jù)快速通信處理，因無線傳感網(wǎng)低能耗、時延小和組網(wǎng)方便等優(yōu)勢，非常適用于本文對建筑設(shè)備的電源監(jiān)控。

服務(wù)于建筑設(shè)備的電源監(jiān)控系統(tǒng)對系統(tǒng)的實(shí)時性要求很高，對于電氣設(shè)備而言實(shí)時匯報(bào)電氣設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)尤為重要。無線傳感網(wǎng)在組網(wǎng)時采用分布式部署方式，設(shè)置主從傳感節(jié)點(diǎn)，主從傳感節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)通信采用ZigBee協(xié)議完成，從節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)前端數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，同時從節(jié)點(diǎn)和主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定期數(shù)據(jù)交換和有選擇性的實(shí)時交換，主節(jié)點(diǎn)根據(jù)從節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)上報(bào)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)直接與Internet進(jìn)行通信并和用戶完成交互，完整的ZigBee前端組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信快速傳輸研究

4G移動通信是相對于3G而言，作為第四代移動通信技術(shù)，4G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)高清圖像的快速傳輸，圖像傳輸?shù)那逦群蛨D像質(zhì)量基本沒有明顯損失，并且具有超過2Mbps的非對稱數(shù)據(jù)傳輸能力，對全速移動用戶能提供150Mbps的高質(zhì)量的影像服務(wù)，并首次實(shí)現(xiàn)三維圖像的高質(zhì)量傳輸，無線用戶之間可以進(jìn)行三維虛擬現(xiàn)實(shí)通信。4G能夠連接來自不同終端、不同頻帶和不同無線平臺的網(wǎng)絡(luò)，在提供無線服務(wù)的同時，能夠在任何時刻任何地點(diǎn)快速接入到互聯(lián)網(wǎng)中，作為支撐多功能集成移動通信的先驅(qū)技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)寬帶接入IP系統(tǒng)的以外同時提供定時定位、數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制等綜合功能。相對于3G網(wǎng)絡(luò)本文主要從以下五點(diǎn)詳細(xì)介紹4G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

1）正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)

4G移動通信系統(tǒng)主要是以O(shè)FDM為核心技術(shù)，OFDM是一種多載波并行通信技術(shù)，其核心思想是將信道劃分為多個相互正交的子信道，因此高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號可以轉(zhuǎn)換為相對較為低速的子數(shù)據(jù)流，調(diào)制后的子數(shù)據(jù)流可以在信道中并行傳輸。正交信號可以在接收端通過信號分離和提取技術(shù)實(shí)現(xiàn)子信號剝離，如此子信號在信道中可以實(shí)現(xiàn)無干擾傳輸，每個字信道的通信帶寬略小于信道的平均帶寬，因此各個子信道的信號衰減可以認(rèn)定為平坦性衰減，從而可以在很大程度上抑制信號間干擾，另外，每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一部分，信道的負(fù)載均衡可以輕易實(shí)現(xiàn)。

2）軟件無線電（SDR）技術(shù)

基于4G網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在任何時刻任何地點(diǎn)無縫接入互聯(lián)網(wǎng)，這必然要求移動終端具有很高的適配性，移動終端能夠各種類型的空中接口，能夠在各種無線網(wǎng)絡(luò)間無縫通信，能夠快速有效調(diào)制各類型數(shù)據(jù)信號，能夠在不同類型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中快速切換。這對于移動終端的軟件設(shè)計(jì)要求非常高，軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)必然非常復(fù)雜才能適應(yīng)這種類型的實(shí)時變更。軟件無線電技術(shù)的引入無疑很好地解決了上述所提到的各類型問題，軟件無線電技術(shù)在微電子技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，它是集成了通信技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)等多種技術(shù)為一體的技術(shù)載體。軟件無線電強(qiáng)調(diào)以開放性最簡硬件為通用平臺，盡可能地用可升級、可重配置的不同應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線電功能的設(shè)計(jì)新思路。

3）智能天線技術(shù)（SA）

智能天線作為未來移動通信中關(guān)鍵技術(shù)，其主要作用是能夠抑制信號間干擾，增強(qiáng)信號傳輸、自動跟蹤和數(shù)字間波束智能調(diào)節(jié)等功能。智能天線通過在無線基站使用陣列算法和無線發(fā)射機(jī)制實(shí)現(xiàn)無線射頻信號的收發(fā)，能夠在一定空間內(nèi)抑制干擾信號并能夠增強(qiáng)制定區(qū)域內(nèi)的必要信號，因此智能天線在保證信號質(zhì)量的同時又能夠增強(qiáng)信號的傳輸效率。

4）多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)

多輸入多輸出技術(shù)（MIMO）通過在無線基站和移動終端架設(shè)多個通信天線，MIMO技術(shù)能夠使得空間傳輸和通信的資源利用率最大化?？臻g復(fù)用的核心是在無線基站和移動終端架設(shè)多個通信天線，各個通信天線能夠充分地利用空間資源進(jìn)行多路信號的并行傳輸，在同一頻段上復(fù)用多個通信子信道發(fā)射信號，理論上而言通信效率隨著通信天線數(shù)量增加可以實(shí)現(xiàn)線性增加。

5）基于IP的核心網(wǎng)

4G移動通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速接入各種類型的無線通信網(wǎng)絡(luò)中主要基于其采用全I(xiàn)P服務(wù)方式，全I(xiàn)P服務(wù)的方式能夠?qū)崿F(xiàn)快速的端到端的網(wǎng)絡(luò)分配機(jī)制，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的同時又能兼容核心網(wǎng)和PSTN，核心網(wǎng)支持多種類型的空中接口，它能夠?qū)⒕唧w的業(yè)務(wù)邏輯、控制和數(shù)據(jù)傳輸有機(jī)分離，采用IP服務(wù)后，所有的無線接入方式與核心網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)通信都是獨(dú)立分離的。與多種無線通信網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)兼容性使得核心網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)具有非常大的靈活性，無需考慮通信協(xié)議和接入方式。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)監(jiān)控設(shè)計(jì)研究

智能化校園系統(tǒng)服務(wù)監(jiān)控主要保證服務(wù)的穩(wěn)定性，服務(wù)監(jiān)控的對象主要集中學(xué)校校園網(wǎng)服務(wù)器和電子教學(xué)教室以及計(jì)算機(jī)機(jī)房等。服務(wù)的監(jiān)控可以采用物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)方式，通過在機(jī)房和服務(wù)器教室部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，包括溫度傳感器、熱度傳感器、氣壓傳感器、紅外感應(yīng)器和紅外攝像頭等。

假設(shè)前端各類傳感器的監(jiān)測范圍ri，i表示傳感器的類別編號，則定義傳感器的平均監(jiān)測半徑如公式（1）所示。

定義開放環(huán)境的空間面積為V，則根據(jù)傳感器的平均監(jiān)測半徑可以推測實(shí)際需要部署的傳感器數(shù)量滿足公式（2）。

在公式2中，n表示傳感器類別數(shù)量，N表示在空間面積為V的環(huán)境中需要部署的傳感器節(jié)點(diǎn)總數(shù)量。

智能電網(wǎng)采用分布式架構(gòu)并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建一套完整的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。德州儀器生產(chǎn)的ZigBee 射頻芯片CC2530-F256通過集成高性能低功耗8051 內(nèi)核、128-bitADC、2 個USART ，從而具備強(qiáng)大的DMA 功能，并且支持Zig-Bee2207/Pro 協(xié)議棧。CC2530 在發(fā)射功率、鏈路預(yù)算、射頻噪聲抑制能力、低功耗以及ESD 防護(hù)能力等方面都比其他的ZigBee芯片有較大的提升。智能化校園系統(tǒng)的監(jiān)控后臺為終端用戶操作界面，用戶終端分為PC終端和移動終端兩部分，其中PC終端又可分為windows操作終端和mac操作終端，移動終端可分為手機(jī)終端和pad終端，終端命令的下達(dá)主要通過4G網(wǎng)絡(luò)實(shí)施。采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)保存底層實(shí)時上報(bào)的環(huán)境參數(shù)，并在終端以走勢圖的方式動態(tài)展示，用戶根據(jù)時間流的數(shù)據(jù)變化判斷建筑設(shè)備狀態(tài)。

一般而言，正常數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)明顯的擾動，在數(shù)據(jù)分布上相對較為穩(wěn)定，可根據(jù)規(guī)則和統(tǒng)計(jì)規(guī)律預(yù)先設(shè)定范式固化在終端，當(dāng)出現(xiàn)異于范式的模式時則發(fā)出報(bào)警由用戶裁決。范式提取算法如表1所示。

調(diào)度節(jié)點(diǎn)通過內(nèi)置適配模式來識別異常的數(shù)據(jù)源，適配模式通常采用分類算法進(jìn)行監(jiān)督式學(xué)習(xí)，定義傳感器采集的各類數(shù)據(jù)指標(biāo)為特征，則用表示特征集合，在時刻t時各類傳感器采集的數(shù)據(jù)定義為，時刻t時對應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)定義為，通過采集大量的數(shù)據(jù)樣本用機(jī)器學(xué)習(xí)的方式學(xué)習(xí)系統(tǒng)的適配模式。將系統(tǒng)的狀態(tài)定義為五種狀態(tài)，如表2所示。

根據(jù)表2中定義，系統(tǒng)的每種狀態(tài)都可以對應(yīng)到具體的狀態(tài)標(biāo)識，結(jié)合系統(tǒng)狀態(tài)時具體的傳感器數(shù)據(jù)指標(biāo)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)中分類算法通過對樣本數(shù)據(jù)（X，S）進(jìn)行參數(shù)擬合訓(xùn)練，定義各個傳感器指標(biāo)對系統(tǒng)狀態(tài)的影響因子表征為，與相對應(yīng)。適配模式訓(xùn)練算法如表3所示。

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