廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 陳伯松 石鳴鳴

為了研究沉香和種植環(huán)境之間的聯(lián)系，傳統(tǒng)方法是采用人工實(shí)地測(cè)量，但是這種方法存在著人為工作量大、測(cè)量面積大、不能實(shí)時(shí)監(jiān)控等問題。本文針對(duì)現(xiàn)有問題，從監(jiān)控方式作為切入點(diǎn)，對(duì)基地環(huán)境和監(jiān)測(cè)設(shè)備管理需求進(jìn)行分析，以成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為基礎(chǔ)，建立起遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以幫助管理人員以異地遠(yuǎn)程方式來監(jiān)控種植區(qū)域情況，取代了管理人員需要實(shí)地測(cè)量。但由于基地終端設(shè)備數(shù)量的增加，對(duì)于終端設(shè)備的應(yīng)用請(qǐng)求服務(wù)全部交給云端來處理，使得監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性降低，同時(shí)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的帶寬也是一個(gè)挑戰(zhàn)。在此情況下，很可能會(huì)丟失終端發(fā)送的有用數(shù)據(jù)，影響監(jiān)控系統(tǒng)檢測(cè)效果。所以本文在終端和云端之間增加霧層，減少大量數(shù)據(jù)傳輸至云端，減輕云中心的負(fù)載承受力，并建立基于霧計(jì)算的分布式傳感數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，有效地對(duì)種植區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的監(jiān)控方式常見的有智能家居，這一監(jiān)控系統(tǒng)是基于局域網(wǎng)的監(jiān)控技術(shù)。隨著早期IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)地制定，催生了無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的迅速普及，人們開始創(chuàng)新地將各種家用電器、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和各類傳感器結(jié)合起來。例如DM Han等人提出了基于多傳感器網(wǎng)絡(luò)和光控制應(yīng)用的智能照明控制系統(tǒng)，用于智能住宅和能源控制生產(chǎn)。但是其系統(tǒng)采用zigbee通信導(dǎo)致監(jiān)控范圍容易受到距離的限制，信號(hào)穿透性不好，難以發(fā)揮最佳監(jiān)控效果。在基于云平臺(tái)方面的監(jiān)控，AM Khattak等人使用異構(gòu)傳感器技術(shù)監(jiān)控人類健康和活動(dòng)，并在云平臺(tái)上智能地處理這些活動(dòng)，該系統(tǒng)部署在云端上，用于阿爾茨海默病患者，具有四個(gè)活動(dòng)識(shí)別引擎，用于從傳感器捕獲的原始數(shù)據(jù)中識(shí)別低水平活動(dòng)。但是云計(jì)算面臨著數(shù)據(jù)傳輸帶寬、數(shù)據(jù)處理的即時(shí)性、隱私及能耗等不足，隨著萬物互聯(lián)時(shí)代到來，云計(jì)算越來越無法完全滿足人們對(duì)美好生活的向往日益增加的新技術(shù)需求。

針對(duì)上述問題，通過學(xué)習(xí)前人的研究成果，本文提出了基于霧計(jì)算的架構(gòu)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，此外，針對(duì)多終端問題，提出通過智能網(wǎng)關(guān)來對(duì)多個(gè)終端進(jìn)行合理的任何調(diào)度。霧計(jì)算層可以有效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，來緩解云服務(wù)器的壓力。

圖1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的框架

2 系統(tǒng)的總體框架

系統(tǒng)總體框架分為云服務(wù)層、霧計(jì)算層、設(shè)備層三層結(jié)構(gòu)。設(shè)備層由STM32微控制器、傳感設(shè)備、LoRa設(shè)備、太陽能設(shè)備等組成，STM32微控制器負(fù)責(zé)控制和調(diào)度其他設(shè)備，傳感設(shè)備負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，LoRa設(shè)備負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳輸，太陽能設(shè)備負(fù)責(zé)在野外的用電需求。霧計(jì)算層負(fù)責(zé)接收監(jiān)測(cè)設(shè)備產(chǎn)生的傳感數(shù)據(jù)并根據(jù)監(jiān)控需求進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，可以有效的減少傳輸數(shù)據(jù)量，通過預(yù)處理和過濾數(shù)據(jù)來緩解網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力。云服務(wù)層為云平臺(tái)、Web和微信小程序，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和應(yīng)用服務(wù)。以上三層云、霧、端框架圖如圖1所示。

3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)用于統(tǒng)一接收、處理、上傳每個(gè)采集端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，然而智能網(wǎng)關(guān)不僅滿足以上的要求，還應(yīng)該具備利用霧計(jì)算概念提供智能服務(wù)的能力。網(wǎng)關(guān)支持LoRa，Wi-Fi和以太網(wǎng)的通信協(xié)議，同時(shí)可以遠(yuǎn)程控制，方便遠(yuǎn)程操縱網(wǎng)關(guān)的相關(guān)參數(shù)和配置，各種指令和數(shù)據(jù)上傳方式可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行自定義。

3.1 網(wǎng)關(guān)硬件層

網(wǎng)關(guān)和采集端直接采用LoRa無線傳輸，LoRa技術(shù)相比其他無線傳輸技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于能夠遠(yuǎn)距離傳輸、低功耗以及高達(dá)0.3～50kbs的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)LoRa信號(hào)對(duì)于建筑的穿透能力很強(qiáng)。采集端的LoRa模塊使用常規(guī)地址，網(wǎng)關(guān)使用的是廣播地址，用來監(jiān)聽在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有LoRa模塊的信號(hào)。

3.2 霧計(jì)算服務(wù)層

霧計(jì)算服務(wù)層是智能網(wǎng)關(guān)里面重要的組成部分，是網(wǎng)關(guān)提供智能服務(wù)的關(guān)鍵，執(zhí)行的功能有主要以下兩點(diǎn)：

（1）數(shù)據(jù)異常檢測(cè)準(zhǔn)則

一般情況下，自然室外天氣在一定時(shí)間范圍內(nèi)是沒有很大的變化，傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)也不會(huì)太大的改變，但是在室外也不排除傳感器出現(xiàn)一些異常情況導(dǎo)致偶然的無效數(shù)據(jù)出現(xiàn)，因此，本文針對(duì)室外可能出現(xiàn)的情況，制定了一些數(shù)據(jù)檢測(cè)準(zhǔn)則來自動(dòng)判別出數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常。

以土壤溫度ST和土壤濕度SH為例，應(yīng)該遵守如下條件：

①一天時(shí)間范圍內(nèi)，土壤的環(huán)境參數(shù)的變化都要在一個(gè)確定量程內(nèi)變化。

②一天時(shí)間范圍內(nèi)，土壤的ST和SH數(shù)值不能一直處于低水平（5%以下）或者高水平（90%以上）。

③多次采集過程中，前后兩次采集的數(shù)據(jù)變化差值應(yīng)小于一個(gè)閾值。

定義了上述的三條數(shù)據(jù)檢測(cè)準(zhǔn)則，即智能網(wǎng)關(guān)根據(jù)這三條準(zhǔn)則來智能判斷出采集端的傳感器數(shù)據(jù)是否在正常的狀態(tài)。準(zhǔn)則①從單個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)檢測(cè)出發(fā)，即每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)變化應(yīng)該在預(yù)先規(guī)定的0到N這個(gè)確定的量程內(nèi)，數(shù)據(jù)不得超過這個(gè)范圍，N的具體值可以根據(jù)被監(jiān)控基地的實(shí)際情況來設(shè)定。準(zhǔn)則②表示單個(gè)傳感器的數(shù)值不能長(zhǎng)時(shí)間處于一個(gè)低數(shù)字或者高數(shù)字。例如在一天時(shí)間范圍內(nèi)，某個(gè)土壤傳感器的濕度值為（23.11%，26.22%，0%，0%，0%，0%，0%，0%），假設(shè)準(zhǔn)則③中的閾值為30%，則前三個(gè)數(shù)值的差值是處于正常水平。但是隨后的數(shù)值一直處于0%的狀態(tài)，這就違反了準(zhǔn)則②，可以判斷為異常數(shù)據(jù)，可以考慮是否為極端天氣或者是人為破壞（挖出傳感器）。準(zhǔn)則③從單個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)變化出發(fā)，網(wǎng)關(guān)發(fā)送指令，采集端返回多次采集數(shù)據(jù)。例如（23.11%，26.22%，0%，24.11%，27.23%，25.11%），假設(shè)閾值為10%，這也違反了準(zhǔn)則③，可以判定為多次采集中出現(xiàn)了一個(gè)偶然性誤差的數(shù)值，屬于干擾點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)處理

在數(shù)據(jù)處理中使用限幅濾波和均值濾波兩種結(jié)合的復(fù)合濾波處理方式來處理被數(shù)據(jù)檢測(cè)準(zhǔn)則監(jiān)控到的無效數(shù)據(jù)。首先使用限幅濾波對(duì)數(shù)據(jù)中明顯的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，然后使用均值濾波將不明顯的噪聲數(shù)據(jù)消除，可以有效避免無效數(shù)據(jù)對(duì)采集結(jié)果的干擾。

限幅濾波實(shí)現(xiàn)的原理是選取T_1和T_2兩個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)值，兩者相減的差值為ΔT，以ΔT差值的絕對(duì)值作為比較根據(jù)來確定采樣值y（T_n），然后隨后的兩次相鄰采樣值相減的值如果小于或等于ΔT，則取這次的采樣值y（T_n），如果大于差值，則取上一次的采樣值y（T_(n-1)）。

結(jié)束語：本文設(shè)計(jì)了基于霧計(jì)算架構(gòu)的智能網(wǎng)關(guān)對(duì)多終端的任務(wù)調(diào)度和上傳數(shù)據(jù)的修整，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)有空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度、土壤酸堿度，采集端的供電使用太陽能光伏電池，解決了野外用電的困難同時(shí)也避免了對(duì)基地環(huán)境破壞和干擾，通信采用LoRa無線遠(yuǎn)距離通信，覆蓋范圍廣，功耗低。