朱海穎,馮興杰,趙俊松,高江濤
(中國(guó)民航大學(xué)信息網(wǎng)絡(luò)中心,天津 300300)
目前,各高校所使用的儀器設(shè)備較多,其中大多數(shù)儀器設(shè)備分散在二級(jí)學(xué)院/部門(mén),缺乏統(tǒng)一的自動(dòng)化管理,很難及時(shí)、科學(xué)地掌控設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的安全情況和設(shè)備的使用情況,設(shè)備綜合利用率低。因此,對(duì)校園儀器設(shè)備進(jìn)行科學(xué)、規(guī)范的監(jiān)控和管理,成為高校儀器設(shè)備管理的內(nèi)在需求[1-3]。
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN,wireless sensor network)[4]由部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的大量低成本、低功耗的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,節(jié)點(diǎn)之間能夠通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其具有結(jié)構(gòu)緊湊、部署迅捷、自組織、易維護(hù)、測(cè)量精度高、成本較低等優(yōu)勢(shì)。在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,如工業(yè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)[5]、智能家居監(jiān)測(cè)[6]、建筑電氣設(shè)備能耗監(jiān)測(cè)[7]、農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)[8]等。而目前無(wú)線傳感器自組網(wǎng)最常用的兩個(gè)協(xié)議是ZigBee和6LoWPAN(IPv6 over low power wireless personal area network)。
6LoWPAN是由IETF 6LoWPAN工作組定義的新型WSN,基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn),使用16位段地址實(shí)現(xiàn)IPv6通信,旨在為嵌入式設(shè)備(如無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn))提供IPv6連接[9-10]。6LoWPAN適應(yīng)性強(qiáng)、易開(kāi)發(fā)、擁有海量IPv6地址、易接入IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)、可與其他802.15.4設(shè)備互通,用戶(hù)可通過(guò)訪問(wèn)傳感器節(jié)點(diǎn)配置的IPv6地址來(lái)控制傳感器節(jié)點(diǎn)。此外,6LoWPAN鏈路的路由選址不需要額外的6LoWPAN頭信息,較ZigBee協(xié)議增加了更多的負(fù)載數(shù)據(jù)空間,目前該協(xié)議已在開(kāi)源系統(tǒng)Contiki和Tinyos中得到應(yīng)用[11]。
針對(duì)校園儀器設(shè)備管理中設(shè)備數(shù)量眾多、地點(diǎn)分散、管理手段落后、利用效率低的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于6LoPWAN技術(shù)的校園儀器設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)在大量?jī)x器設(shè)備監(jiān)控區(qū)域部署無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)校園儀器設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)性的監(jiān)控,并通過(guò)6LoWPAN邊緣路由器將采集信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理和分析。同時(shí)提出在傳感器節(jié)點(diǎn)采集設(shè)備運(yùn)行的電流數(shù)據(jù)并動(dòng)態(tài)判別設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的方法,遠(yuǎn)程終端用戶(hù)通過(guò)Web瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器端可實(shí)時(shí)查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行環(huán)境、設(shè)備使用率和使用時(shí)間的分布情況,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。
1)實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備信息的感知、采樣及傳輸 遠(yuǎn)程終端用戶(hù)可通過(guò)Web瀏覽器實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行環(huán)境信息及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息,并可通過(guò)歷史信息查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、分析設(shè)備的情況。
2)確定儀器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)等信息 通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的電流信息能判別儀器設(shè)備所處的運(yùn)行狀態(tài),以進(jìn)一步為設(shè)備的使用效率、節(jié)能、購(gòu)置等提供輔助決策。
3)大規(guī)模應(yīng)用 隨著高等教育事業(yè)的發(fā)展,校園儀器設(shè)備會(huì)更多且分散在各二級(jí)學(xué)院/部門(mén),需大量傳感器采集節(jié)點(diǎn)且能隨新購(gòu)置設(shè)備而隨時(shí)添加,同時(shí)要求每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的地址唯一,以保證數(shù)據(jù)的獨(dú)立性。
針對(duì)上述儀器設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求,設(shè)計(jì)基于6LoPWAN技術(shù)的校園儀器設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)[12-15]。其主要由6LoWPAN無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、6LoWPAN邊緣路由器、傳輸網(wǎng)絡(luò)(校園有線網(wǎng)絡(luò))、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和遠(yuǎn)程終端用戶(hù)構(gòu)成,其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)的主要技術(shù)及相關(guān)功能模塊如下。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure
1)系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)采集網(wǎng)
采用基于6LoWPAN的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。6LoWPAN協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)增加適配層來(lái)實(shí)現(xiàn)IPv6協(xié)議與IEEE802.15.4的融合,從而能夠在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)上傳輸IPv6數(shù)據(jù)包,使其滿(mǎn)足擁有大量節(jié)點(diǎn)且隨時(shí)有設(shè)備入網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需求。
圖2 6LoWPAN協(xié)議棧Fig.2 6LoWPAN protocol stack
2)6LoWPAN無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
由6LoWPAN無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、溫濕度傳感器、光照傳感器、電流傳感器等組成,共同負(fù)責(zé)采集儀器設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù),并將采集到的數(shù)據(jù)按照要求發(fā)送給6LoWPAN邊緣路由器。
3)6LoWPAN邊緣路由器
用于實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳輸網(wǎng)絡(luò)(校園有線網(wǎng))的連接,實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧的精簡(jiǎn)及數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)。6LoWPAN邊緣路由器從有線網(wǎng)絡(luò)接口接收監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包,并通過(guò)處理器對(duì)其進(jìn)行精簡(jiǎn)后,將精簡(jiǎn)的數(shù)據(jù)包通過(guò)無(wú)線收發(fā)器發(fā)送到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。同時(shí),6LoWPAN邊緣路由器從無(wú)線接收器接收到傳感器發(fā)送來(lái)的精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)包后,處理器將其還原為完整的數(shù)據(jù)包,通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)接口將完整的數(shù)據(jù)包發(fā)送到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。
4)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器端的B/S架構(gòu)
負(fù)責(zé)接收邊緣路由器發(fā)來(lái)的傳感器采集數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析,同時(shí)負(fù)責(zé)接收硬件控制指令并向下層傳遞。遠(yuǎn)程終端用戶(hù)通過(guò)Web瀏覽器登錄數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器查詢(xún)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),并可對(duì)傳感器終端進(jìn)行控制。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,包括存儲(chǔ)采集到的溫濕度、電流數(shù)據(jù)等信息,并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、圖形顯示、預(yù)警,通過(guò)儀器設(shè)備電流信息判別設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),提供歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)從而輔助決策。
6LoWPAN邊緣路由器是6LoWPAN無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心,對(duì)處理能力要求比較高。系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的CC2538芯片,該芯片以ARM Cortec-M3為內(nèi)核,自帶512 KB的可擴(kuò)展FLASH和32 KB的RAM,具有2.4 Hz IEEE 802.15.4 RF射頻收發(fā)器,內(nèi)部資源豐富、性能強(qiáng)大,能很好地支持Contiki3.x版本,可完全滿(mǎn)足儀器設(shè)備監(jiān)控信息參數(shù)的采集、傳輸和存儲(chǔ)需求;同時(shí)具有豐富的外部接口,可滿(mǎn)足儀器設(shè)備監(jiān)控各類(lèi)傳感器的接入,可擴(kuò)展性強(qiáng)。以太網(wǎng)模塊采用ENC28J60芯片,上聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器監(jiān)控中心。邊緣路由器的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
圖3 6LoWPAN邊緣路由器硬件架構(gòu)圖Fig.3 Hardware architecture of 6LoWPAN edge router
為了便于后續(xù)功能的擴(kuò)展及各種需求的滿(mǎn)足,系統(tǒng)中的6LoWPAN傳感器采集節(jié)點(diǎn)也采用CC2538芯片,基本與6LoWPAN邊緣路由器相同,僅沒(méi)有ENC28J60以太網(wǎng)模塊,主要由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊構(gòu)成,其硬件邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 6LoWPAN傳感器采集節(jié)點(diǎn)邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Logical structure of 6LoWPAN sensor acquisition node
6LoWPAN邊緣路由器基于Contiki嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),該路由器通過(guò)RPL路由協(xié)議模塊構(gòu)造6LoWPAN網(wǎng)絡(luò),并采用IPv6鄰居發(fā)現(xiàn)協(xié)議向所有6LoWPAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由通告,令所有6LoWPAN節(jié)點(diǎn)獲得6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)前綴。當(dāng)邊緣路由器的無(wú)線射頻模塊收到6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包,則對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行還原操作,并按照路由信息,通過(guò)ENC28J60以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器監(jiān)控端。當(dāng)邊緣路由器通過(guò)ENC-28J60以太網(wǎng)收到監(jiān)控端的控制信息數(shù)據(jù)包,則對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行精簡(jiǎn)操作,并按照路由信息,通過(guò)無(wú)線射頻模塊轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳目的節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)6LoWPAN傳感器網(wǎng)絡(luò)與校園儀器設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器監(jiān)控端網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。6LoWPAN邊緣路由器軟件框架設(shè)計(jì),如圖5所示。
圖5 6LoWPAN邊緣路由器軟件框架圖Fig.5 Software architecture of 6LoWPAN edge router
在溫濕度信息監(jiān)測(cè)機(jī)制中,傳感器采集節(jié)點(diǎn)CC2538通過(guò)外接溫濕度傳感器,實(shí)現(xiàn)溫濕度信息的實(shí)時(shí)采集。當(dāng)遠(yuǎn)程用戶(hù)終端通過(guò)Web查詢(xún)模塊發(fā)送出溫濕度信息查詢(xún)請(qǐng)求時(shí),傳感器采集節(jié)點(diǎn)將溫濕度信息通過(guò)邊緣路由傳感器的有線網(wǎng)絡(luò)接口將數(shù)據(jù)傳輸至Web信息查詢(xún)模塊。同時(shí)終端用戶(hù)服務(wù)器通過(guò)預(yù)先設(shè)定的程序判斷實(shí)時(shí)采集的溫濕度信息是否超出預(yù)設(shè)范圍,如果超出預(yù)設(shè)范圍則實(shí)時(shí)預(yù)警。
在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)制中,電流傳感器及AD/DC轉(zhuǎn)換電路檢測(cè)儀器設(shè)備的實(shí)時(shí)工作電流,并通過(guò)6LoWPAN邊緣路由器將采集信息上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器,通過(guò)與預(yù)設(shè)程序?qū)Ρ入娏魉诘倪\(yùn)行狀態(tài)閾值區(qū)間,判別儀器設(shè)備所處的運(yùn)行狀態(tài)。利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路記錄儀器在各運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間,通過(guò)AT24C02芯片存儲(chǔ)信息,并最終傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器監(jiān)控端。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器監(jiān)控端可科學(xué)、準(zhǔn)確地顯示設(shè)備使用的歷史統(tǒng)計(jì)信息以輔助決策。圖6為6LoWPAN邊緣路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程。
系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的電流大小和變化情況,將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的閾值區(qū)間進(jìn)行對(duì)比,來(lái)判別設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。然而,儀器設(shè)備各運(yùn)行狀態(tài)的電流值會(huì)隨著設(shè)備工作年限、模塊增減、維修、電源波動(dòng)、甚至開(kāi)機(jī)時(shí)間長(zhǎng)短而產(chǎn)生漂移(如需要預(yù)熱的設(shè)備等),各狀態(tài)之間的電流判別閾值區(qū)間如果差別很小,則這種漂移情況會(huì)嚴(yán)重影響判別的準(zhǔn)確性,從而造成系統(tǒng)的不可用。因此,提出一種利用加權(quán)平均濾波法動(dòng)態(tài)調(diào)整閾值區(qū)間來(lái)判別設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的方法。該判別方法流程如圖7所示,其主要步驟如下。
圖6 6LoWPAN邊緣路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 Software design flowchart of 6LoWPAN edge router
圖7 運(yùn)行狀態(tài)判別流程圖Fig.7 Flowchart of running state judgement
1)運(yùn)行狀態(tài)閾值區(qū)間的初始值設(shè)定
設(shè)儀器設(shè)備采集電流 I1,I2,…,In,算術(shù)平均值=剩余誤差 vi=Ii-I(i=1,2,…,n)。電流傳感器在各運(yùn)行狀態(tài)下監(jiān)測(cè)連續(xù)采集M組電流數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)n個(gè)值,按照貝塞爾公式,即
計(jì)算 M 組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差 σ1,σ2,…,σM,取標(biāo)準(zhǔn)誤差最小的數(shù)據(jù)組的算術(shù)平均值I作為設(shè)備該運(yùn)行狀態(tài)下閾值空間的中心值。
2)獲取當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下的加權(quán)平均濾波電流值
設(shè)傳感器獲取設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下的連續(xù)n個(gè)電流值數(shù)據(jù)分別為 I1,I2,…,In,剩余誤差為 v1,v2,…,vn,其對(duì)應(yīng)的權(quán)值分別為 w1,w2,…,wn,則加權(quán)平均過(guò)濾后的電流值和權(quán)值應(yīng)滿(mǎn)足
3)更新設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的電流閾值區(qū)間
設(shè)接收到更新閾值區(qū)間命令前,閾值區(qū)間為(Ia,Ib+ΔI],Ib為當(dāng)前閾值區(qū)間的中心值,wa、wb為電流 Ia、Ib對(duì)應(yīng)的權(quán)值,為當(dāng)前更新閾值命令后的加權(quán)平均過(guò)濾電流值,調(diào)整后的閾值區(qū)間記為
4)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的判別
若獲取到的實(shí)時(shí)設(shè)備電流值在關(guān)機(jī)狀態(tài)閾值區(qū)間內(nèi),則判定設(shè)備處于關(guān)機(jī)狀態(tài);在待機(jī)狀態(tài)閾值區(qū)間內(nèi),則判定設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài);若在工作狀態(tài)閾值區(qū)間內(nèi),則判定設(shè)備處于工作狀態(tài)。
對(duì)1臺(tái)一直處于工作狀態(tài)的臺(tái)式機(jī),每隔10 min監(jiān)測(cè)1次實(shí)際運(yùn)行電流值,并設(shè)初始工作閾值區(qū)間中心值為K,監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。
圖8 工作狀態(tài)電流值監(jiān)測(cè)圖Fig.8 Monitoring chart of current value in working state
從圖8可看出,電流值并沒(méi)有在一個(gè)固定值附近變化,而是隨著時(shí)間及運(yùn)行程序的類(lèi)別和數(shù)量的不同而不斷變化,且隨著運(yùn)行時(shí)間的不斷增長(zhǎng),電流值趨勢(shì)向上傾斜,逐漸遠(yuǎn)離K。因此,如果直接通過(guò)與固定閾值對(duì)比來(lái)判別運(yùn)行狀態(tài)的方法不夠準(zhǔn)確。
對(duì)1臺(tái)式機(jī)每隔10 min控制1次工作狀態(tài)并監(jiān)測(cè)其電流值,人工控制使設(shè)備處于工作狀態(tài)25次,處于待機(jī)或關(guān)機(jī)狀態(tài)25次。為了驗(yàn)證運(yùn)行狀態(tài)判別方法的有效性及準(zhǔn)確率,將其與直接判別方法對(duì)比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。直接判別法通過(guò)每次監(jiān)測(cè)到的電流I與初始預(yù)設(shè)閾值邊界值H0對(duì)比:若I≥H0,判定設(shè)備處于工作態(tài);若I<H0,判定設(shè)備處于非工作態(tài)。動(dòng)態(tài)判別法則根據(jù)2.3節(jié)提出的方法動(dòng)態(tài)調(diào)整閾值,給出判別結(jié)果。從表1可看出:直接判別法判別錯(cuò)誤6次,準(zhǔn)確率為88%;動(dòng)態(tài)判別方法判別錯(cuò)誤1次,準(zhǔn)確率為98%。
表1 不同判別方法結(jié)果對(duì)比Tab.1 Results comparison between different discriminant methods
對(duì)1臺(tái)在不同工作狀態(tài)切換的臺(tái)式機(jī),設(shè)定每隔10 min監(jiān)測(cè)1次系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。從表2中可看出,利用該系統(tǒng)能夠通過(guò)電流傳感器監(jiān)測(cè)電流值,并判別出設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
表2 某臺(tái)式機(jī)監(jiān)測(cè)結(jié)果Tab.2 Monitoring results of one desktop
對(duì)某機(jī)房的網(wǎng)絡(luò)核心服務(wù)器監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行溫濕度監(jiān)測(cè),系統(tǒng)設(shè)定的溫濕度測(cè)量指標(biāo)如表3所示。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)某天0:00~20:00的溫濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明了系統(tǒng)溫濕度監(jiān)測(cè)的有效性,同時(shí)與人工測(cè)試結(jié)果對(duì)比基本相同,表明系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行環(huán)境的溫濕度監(jiān)測(cè)具有較好效果。
表3 溫濕度測(cè)量指標(biāo)Tab.3 Measurement indices of temperature and humidity
圖9 某網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備區(qū)域溫濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.9 Monitoring results of temperature and humidity in certain area of one network core equipment
利用6LoWPAN技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的校園儀器設(shè)備智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用6LoWPAN技術(shù),通過(guò)電流監(jiān)測(cè)、溫濕度監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)感知設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境,解決了大量?jī)x器的設(shè)備監(jiān)控和管理,滿(mǎn)足新設(shè)備隨時(shí)可能增添的需求。通過(guò)該系統(tǒng)的投入建設(shè)不僅保障分散在各處的儀器設(shè)備環(huán)境安全,同時(shí)使得設(shè)備使用情況做到有據(jù)可查,為高校設(shè)備管理提供決策支持。該系統(tǒng)具有較高的通用性,不僅適用于高校的儀器設(shè)備管理,也能應(yīng)用到其他類(lèi)型的設(shè)備管理中。下一步工作將對(duì)積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析及可視化實(shí)現(xiàn)。