方鑠，張帥東，周辰宇，劉亞煒，麻廣霖

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，鄭州450002）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，樓宇也趨于智能化[1]。但居住的環(huán)境數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)地展示在住戶面前，這帶來了很多安全隱患。針對這個(gè)安全現(xiàn)狀，也為了給住戶提供更加便捷、舒適、安全的生活環(huán)境，迫切需要解決如何讓用戶輕松便捷地管理居住環(huán)境數(shù)據(jù)的問題。

本文提出了一種基于Web 服務(wù)器[5]的智能樓宇傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[3]，以Web 瀏覽器做監(jiān)控終端，以低功耗、體積小、壽命長的ZigBee 技術(shù)[2]以及各種傳感和控制模塊構(gòu)建智能樓宇的內(nèi)網(wǎng)，該系統(tǒng)具有操作簡單、成本低、功耗低、功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括下位機(jī)、上位機(jī)桌面應(yīng)用程序和Web端軟件三大部分。下位機(jī)部分中，各個(gè)傳感器分別要完成：門禁功能、節(jié)能功能、天氣檢測功能、火災(zāi)報(bào)警功能、室內(nèi)防盜功能、車輛測距功能、環(huán)境監(jiān)測功能。上位機(jī)桌面應(yīng)用程序作為中間環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)從CC2530 芯片獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，再與Web 服務(wù)器連接，然后把數(shù)據(jù)傳入Web 服務(wù)器以供顯示。從而形成一條完整的數(shù)據(jù)鏈，保證環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。CC2530 芯片搭載Z-Stack 協(xié)議棧[4]以及各種傳感與控制等模塊構(gòu)成。完成本系統(tǒng)的傳感控制功能，CC2530 具有高性能和低功耗的8051 微控制器核，微控制器核是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。CC2530 支持ZigBee、ZigBee PRO 等標(biāo)準(zhǔn)，其無線射頻模塊兼容IEEE 802.15.4，硬件支持CSMA/CA 功能，帶有符合IEEE 802.15.4 規(guī)范的定時(shí)器，接收器靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)，集成AES 安全協(xié)處理器。Web端軟件由用戶模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊構(gòu)成。用戶模塊可完成權(quán)限校驗(yàn)、用戶登錄、用戶注銷等功能。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊可完成模塊狀態(tài)顯示、溫濕度顯示、PM2.5 數(shù)據(jù)查詢功能。歷史數(shù)據(jù)查詢模塊可完成環(huán)境數(shù)據(jù)的歷史查詢功能。為了使三大部分形成一套具有采集，處理，顯示功能的完整系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用ZigBee 技術(shù)，把各個(gè)傳感器獲取的信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器，再通過協(xié)調(diào)器把信息提交至Web 服務(wù)器，用戶可通過Web 瀏覽器、手機(jī)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)等方式獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，同時(shí)，也可以對各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

2 下位機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的下位機(jī)部分是以CC2530 單片機(jī)為核心，由RFID、電磁鎖、光照傳感器、雨滴傳感器、煙霧報(bào)警器、紅外傳感器、超聲波傳感器與該單片機(jī)連接組成的門禁模塊、節(jié)能控制模塊、防火模塊、天氣監(jiān)測模塊、室內(nèi)防盜模塊、車距模塊組成。各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間采用ZigBee 技術(shù)組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 技術(shù)是IEEE 802.15.4 協(xié)議的代名詞，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

下位機(jī)各功能的實(shí)現(xiàn)是由各個(gè)傳感器分工完成的。如圖2 所示門禁模塊由RFID 模塊進(jìn)行控制，系統(tǒng)采集RFID 卡片中攜帶的信息，將其與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)相匹配，匹配成功后向下位機(jī)發(fā)送指令，打開電磁鎖。節(jié)能控制模塊由光照傳感器進(jìn)行控制，當(dāng)光照值達(dá)到一個(gè)預(yù)設(shè)的最高值后，燈泡熄滅，以達(dá)到節(jié)能效果。反之，光照達(dá)到預(yù)設(shè)的最低值時(shí)，燈泡點(diǎn)亮。天氣監(jiān)測模塊由雨滴傳感器控制，當(dāng)檢測到有雨滴落下時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉窗簾。室內(nèi)防盜模塊由紅外傳感器控制，室內(nèi)有人時(shí)蜂鳴器會(huì)報(bào)警。車距模塊有超聲波傳感器控制，主要檢測車與傳感器的距離，距離過小時(shí)蜂鳴器會(huì)報(bào)警。各傳感器狀態(tài)更新后同時(shí)更新Web 端狀態(tài)。

3 上位機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 上位機(jī)采用技術(shù)

系統(tǒng)上位機(jī)是基于Tomcat 搭建的Web 服務(wù)器，Tomcat 服務(wù)器是一個(gè)免費(fèi)的開放源代碼的Web 輕量級應(yīng)用服務(wù)器，在中小型系統(tǒng)和并發(fā)訪問用戶不是很多的場合下被普遍使用。Web 后端采用Java 語言開發(fā)，使用MVC 設(shè)計(jì)模式。采用Servlet 容器處理信息，同時(shí)采用多線程解決方案，通過Socket 通信技術(shù)獲取下位機(jī)的環(huán)境數(shù)據(jù)，采用MySQL 存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。Web 前端主要采用HTML5 開發(fā)主界面，同時(shí)采用JavaScript、JSP動(dòng)態(tài)處理界面。采用CSS3 組件以及Bootstrap 框架技術(shù)美化增加用戶體驗(yàn)，采用AJAX 技術(shù)異步處理頁面信息，減輕服務(wù)器負(fù)擔(dān)。

圖2 下位機(jī)功能實(shí)現(xiàn)圖

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)設(shè)計(jì)思路如圖3 所示，當(dāng)上位機(jī)接收到下位機(jī)數(shù)據(jù)后，首先要實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的讀取與存儲(chǔ)。之后，開始實(shí)現(xiàn)上位機(jī)部分的三大模塊，分別為用戶模塊、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊、歷史記錄查詢模塊。用戶模塊具有用戶的登錄與注銷、用戶的添加與刪除等的功能。該模塊控制用戶權(quán)限，未登錄狀態(tài)下禁止訪問其他模塊，提高了系統(tǒng)的安全性。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示由下位機(jī)硬件采集到的數(shù)據(jù)，采用心跳機(jī)制，每隔一秒采集一次數(shù)據(jù)，以確保連接的有效性的機(jī)制。心跳機(jī)制是定時(shí)發(fā)送一個(gè)自定義的心跳包，心跳包則是按一定時(shí)間間隔發(fā)送的數(shù)據(jù)包，頻率是固定的。網(wǎng)絡(luò)中的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)都是使用操作系統(tǒng)中的Socket 進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。但是如果此套接字已經(jīng)斷開，那發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的時(shí)候就一定會(huì)有問題，所以需要在本系統(tǒng)采用心跳機(jī)制，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性。系統(tǒng)在整點(diǎn)的時(shí)候?qū)囟?、濕度、PM2.5 值進(jìn)行存儲(chǔ)。歷史記錄查詢模塊能夠根據(jù)用戶選擇的時(shí)間進(jìn)行精確查詢，并將查詢到的數(shù)據(jù)用三種不同顏色的折線圖在網(wǎng)頁上顯示。

圖3 Web設(shè)計(jì)流程圖

3.3 數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Java 多線程技術(shù)，分別控制Socket 與上位機(jī)通信和上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)插入數(shù)據(jù)庫，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。上位機(jī)與下位機(jī)交互的數(shù)據(jù)格式為：String[]data={起始位,設(shè)備編號,數(shù)據(jù)位,結(jié)束位}。如圖4 所示，系統(tǒng)啟動(dòng)ServerSocket，系統(tǒng)監(jiān)聽客戶端的Socket。如果Socket 已經(jīng)連接，則開啟數(shù)據(jù)接收的線程，否則繼續(xù)監(jiān)聽Socket。數(shù)據(jù)交互進(jìn)程被啟動(dòng)后，即能進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過創(chuàng)建輸入輸出流對象，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入與輸出。線程可向客戶端傳遞狀態(tài)碼，用來打開電磁鎖。另外，門禁模塊是由RFID 模塊進(jìn)行控制的，所以RFID 卡的信息需要保存到數(shù)據(jù)庫中，上位機(jī)需要發(fā)送由硬件讀取的RFID 卡號到服務(wù)器，再由服務(wù)器查詢數(shù)據(jù)庫比對后返回結(jié)果給上位機(jī)。線程可接收數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)由線程接受），Web 通過Servlet 把此數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并且經(jīng)過封裝后存入數(shù)據(jù)庫以便歷史信息功能的調(diào)用。

4 系統(tǒng)測試

如圖5 所示，在用戶成功登錄后，進(jìn)入到智能樓宇傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主頁面。在頁面左邊欄，分別有全部信息，歷史信息，賬號設(shè)置，用戶注銷等功能。全部信息是向用戶展示系統(tǒng)實(shí)時(shí)信息。包括門禁、天氣、防火、防盜、溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。歷史信息是向用戶展示歷史的環(huán)境數(shù)據(jù)。賬號設(shè)置可對賬戶進(jìn)行修改密碼，更改密保等設(shè)置。用戶注銷用于安全退出系統(tǒng)。圖5所展示的主體界面就是全部信息，向用戶直觀的展示所有傳感器此時(shí)獲得的數(shù)據(jù)。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互流程圖

圖5 環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

如圖6 所示，通過點(diǎn)擊左邊欄的歷史信息，可以進(jìn)入到歷史信息欄。主界面上方可選擇歷史時(shí)間。中間則根據(jù)數(shù)據(jù)信息繪制三個(gè)折線圖。分別描述溫度、濕度與PM 值。用戶可根據(jù)歷史信息折線圖直觀地了解居住的環(huán)境走向。

圖6 歷史數(shù)據(jù)查詢

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于Web 服務(wù)器的智能樓宇傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，經(jīng)過試驗(yàn)測試能夠很好地完成項(xiàng)目預(yù)期要求。較好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示和存儲(chǔ)等功能。本系統(tǒng)能夠?qū)怯钪性O(shè)備的狀態(tài)和環(huán)境數(shù)據(jù)通過瀏覽器實(shí)時(shí)展示在用戶面前，具有安全可靠、無需下載客戶端、可隨時(shí)隨處訪問等優(yōu)點(diǎn)。稍加改良，即可用于辦公樓、學(xué)校、居民樓、工廠等場所，給用戶提供了更加便捷、舒適、安全的生活或生產(chǎn)環(huán)境，具有良好的發(fā)展前景。