物聯網IoT(Internet of Things)是指在物理世界的實體中部署具有一定感知能力、計算能力和執行能力的各種信息傳感設備
，通過網絡設施實施信息傳輸
、協同和處理，從而實現廣域或更大範圍的人與物、物與物之間的信息交換和互換。其目的是實現物與物、物與人、所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控製。物聯網技術在國防

、工業、城市管理
、公共安全
、遠程醫療、智能交通、智能家居
、智能電網、環境監測和綠色農業等領域擁有廣闊的應用前景。在當前大力提倡節能減排
、延緩全球氣候變暖的新形勢下
，物聯網適時地提供了實現“高效
、節能、安全、環保”的和諧社會的“管控營一體化”基ji礎chu和he關guan鍵jian技ji術shu，因yin此ci，該gai技ji術shu被bei認ren為wei掀xian起qi了le信xin息xi革ge命ming的de第di三san次ci浪lang潮chao。本ben文wen在zai物wu聯lian網wang的de架jia構gou上shang
，嚐chang試shi以yi家jia居ju室shi內nei環huan境jing為wei場chang景jing
，討tao論lun了le相xiang關guan概gai念nian，給gei出chu了le應ying用yong模mo型xing，分fen析xi了le數shu據ju感gan知zhi
、處理

、舒適度監測等實用性關鍵技術，並進行了實驗，做出了探索性的結論。

 

 

物聯網概念最早應該是1999年由麻省理工學院研究RFID的Auto—ID中心主任ASHTON K教授提出來的。各國政府部門對物聯網相關技術和產業進行了廣泛的調研，製訂了一係列發展計劃。

 

2011年7月，我國科學技術部發布了《國家“十二五”科學和技術發展規劃》
，將物聯網作為新一代信息技術納入國家重點發展的戰略性新興產業，同時將物聯網列入“新一代寬帶移動無線通信網”國家科技重大專項中。但現有的研究成果主要集中在工業
、交通、安防等領域


，針對智能家居、廠房環境監控的室內物聯網研究較少。

 

近年來，雲計算技術的出現，允許用戶通過互聯網隨時隨地獲取各類計算資源，如計算能力

、存儲能力、應用、服務等，給物聯網發展提供了支撐；同tong時shi，人ren們men對dui家jia居ju室shi內nei環huan境jing越yue來lai越yue關guan注zhu

，室shi內nei環huan境jing質zhi量liang的de高gao低di直zhi接jie影ying響xiang到dao人ren類lei生sheng活huo質zhi量liang的de高gao低di
，甚shen至zhi關guan係xi著zhe人ren類lei的de生sheng存cun問wen題ti。參can考kao文wen獻xian討tao論lun了le室shi內nei環huan境jing參can數shu(溫度
、相對濕度、聲環境和光環境)與室內環境舒適度的關係問題。

 

 

在物聯網發展的初級階段
，其標準體係結構一般為3層：感知層、網絡層和應用層，但物聯網產生、分析、處理和管理的數據是海量的，原始數據若要具備各種實際意義
，需要可擴展的巨量計算資源予以支持。而雲計算能夠提供彈性

、無限可擴展
、價jia格ge低di廉lian的de計ji算suan和he存cun儲chu服fu務wu，滿man足zu物wu聯lian網wang需xu求qiu

，因yin此ci本ben文wen在zai物wu聯lian網wang體ti係xi結jie構gou上shang加jia入ru雲yun計ji算suan，為wei物wu聯lian網wang業ye務wu需xu求qiu提ti供gong強qiang大da的de計ji算suan能neng力li和he計ji算suan智zhi能neng服fu務wu，構gou成cheng改gai進jin的de包bao含han感gan知zhi層ceng、網絡層、雲服務層和應用層4層的家居室內環境在線監控模型，如圖1所示。

 

 

感知層包括傳感器等數據采集終端設備以及數據輸入網關前的傳感器網絡，在模型中這層是基於ZigBee協議的無線傳感器網絡；網絡層主要負責網絡接入、網絡傳輸以及相應的管理與控製，這層由互聯網、遠程智能監控平台和服務器集群的網絡接入程序組成
；雲服務層主要負責存儲、挖掘、分析已有數據，為應用層提供及時
、可擴展、智能化的服務，保證應用層的可靠性、安全性、可擴展性
，可以根據需要對海量數據提供存儲、查詢、分析、挖掘、理解以及基於感知數據決策和行為的基礎服務；應用層解決係統需求上的信息處理與人機交互的問題，是以家居室內環境為應用場景的Web應用服務係統
，監控室內環境及終端設備
，可以調節
、分析和預測環境狀態。

 

 

本係統中無線傳感器網絡硬件平台選用美國TI公司的無線通信芯片CC2530開發平台
，並使用ZigBee協議棧ZStack-CC2530-2.3.0- 1.4.0和嵌入式開發集成環境(IDE)IAR Embedded Workbench進行開發並管理無線傳感網絡應用工程。

 

 

模型中所包含的無線傳感器網絡部分采用基於ZigBee技(ji)術(shu)的(de)星(xing)型(xing)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)，由(you)主(zhu)協(xie)調(tiao)器(qi)和(he)多(duo)個(ge)終(zhong)端(duan)節(jie)點(dian)組(zu)成(cheng)

，終(zhong)端(duan)節(jie)點(dian)隻(zhi)能(neng)與(yu)對(dui)應(ying)的(de)主(zhu)協(xie)調(tiao)器(qi)進(jin)行(xing)通(tong)信(xin)，終(zhong)端(duan)節(jie)點(dian)之(zhi)間(jian)不(bu)能(neng)通(tong)信(xin)。星(xing)型(xing)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)具(ju)有(you)網(wang)絡(luo)結(jie)構(gou)簡(jian)單(dan)
、終端節點能耗較小等優勢
，在電池供電情況下主協調器和終端節點可以擁有更長的工作時間。

 

ZigBee是基於IEEE802.15.4無線標準研製開發的有關組網、安全和應用軟件方麵的技術標準
，其特點是近距離、低複雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。美國TI公司的CC2530芯片集成了51單片機內核
，其開發平台具有基於2004/2006/2007/PRO協議棧的開發模板。針對CC2530芯片的ZigBee開發平台可與IAR for MCS-51集成開發環境無縫連接
，操作和連接方便。係統中主協調器負責啟動整個網絡
，由USB接口直接供電；終端節點由自帶電池供電；主協調器與遠程智能監控平台通過USB直接串口連接，並通過CC2530的射頻模塊實現與終端設備的無線通信。

 

 

TI CC2530開發平台采用Z-Stack微操作係統進行應用程序的開發。Z-Stack是由TI公司推出的業界領先的ZigBee協議棧，支持多種平台。Z-Stack包(bao)含(han)了(le)網(wang)狀(zhuang)網(wang)絡(luo)拓(tuo)撲(pu)的(de)幾(ji)近(jin)於(yu)全(quan)功(gong)能(neng)的(de)協(xie)議(yi)棧(zhan)，采(cai)用(yong)操(cao)作(zuo)係(xi)統(tong)的(de)思(si)想(xiang)來(lai)構(gou)建(jian)
，采(cai)用(yong)事(shi)件(jian)輪(lun)循(xun)機(ji)製(zhi)
，當(dang)各(ge)層(ceng)初(chu)始(shi)化(hua)之(zhi)後(hou)，係(xi)統(tong)進(jin)入(ru)低(di)功(gong)耗(hao)模(mo)式(shi)
；當dang事shi件jian發fa生sheng時shi
，喚huan醒xing係xi統tong，開kai始shi進jin入ru中zhong斷duan處chu理li事shi件jian，結jie束shu後hou繼ji續xu進jin入ru低di功gong耗hao模mo式shi。如ru果guo同tong時shi有you幾ji個ge事shi件jian發fa生sheng，則ze判pan斷duan優you先xian級ji，逐zhu次ci處chu理li事shi件jian。這zhe種zhong軟ruan件jian構gou架jia可ke以yi極ji大da地di降jiang低di係xi統tong功gong耗hao。整zheng個geZ-Stack的主要工作流程大致分為係統啟動

、驅動初始化、OSAL初始化和啟動、進入任務輪循幾個階段。

 

在本係統中，由於傳感節點少、傳輸距離短
，選擇星型網絡的拓撲結構，協調器采用廣播的方式發送信息，而終端節點采用單播發送方式數據。CC2530平台支持避免衝突的載波偵聽多路存取(CSMA/CA)功gong能neng
，在zai無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo啟qi動dong後hou，主zhu協xie調tiao器qi處chu於yu監jian聽ting狀zhuang態tai
，終zhong端duan節jie點dian進jin行xing數shu據ju的de發fa送song，如ru果guo偵zhen聽ting信xin道dao狀zhuang態tai空kong閑xian則ze傳chuan送song數shu據ju包bao，否fou則ze等deng待dai並bing延yan時shi，直zhi到dao信xin道dao狀zhuang態tai空kong閑xian數shu據ju包bao發fa送song成cheng功gong為wei止zhi。無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo中zhong終zhong端duan節jie點dian內nei部bu程cheng序xu流liu程cheng如ru圖tu2所示。

 

 

 

本係統中實現與無線傳感器網絡中主協調器進行通信的遠程智能監控平台是Web係統。連接程序在MyEclipse2013環境下用Java編寫
，RXTXcomm.jar函數庫支持串口通信。頁麵程序通過JSP實現，可以對波特率及COM端duan口kou等deng進jin行xing設she置zhi調tiao整zheng，並bing可ke以yi進jin行xing遠yuan程cheng監jian控kong。該gai平ping台tai實shi現xian了le對dui無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo的de數shu據ju接jie收shou，並bing按an照zhao設she置zhi好hao的de數shu據ju格ge式shi進jin行xing數shu據ju采cai集ji，通tong過guoJava編寫的存儲程序存入遠程服務器的數據庫。接口程序流程如圖3所示。

 

本係統通過一個結構體對各個節點的數據包進行規範，以便於數據采集。數據包格式如表1所示。數據頭使用的是“&&”字符，數據尾采用1個“&”。

 

 

例如路由節點采集溫度時使用如下填充數據的方式，如表2所示。設備名稱temp表示設備是溫度設備；節點類型ROU表示節點是路由節點
；後麵緊跟路由器的網絡地址；傳感器數據值字段采集的是含1位小數的4位溫度值。

 

 

 

利用JSP和前端Ajax框架ExtJs，使用MySQL數據庫和Tomcat服務器，開發的Web應用服務係統可以與遠程智能監控平台和雲服務平台進行快速整合，界麵操作簡單、美觀，且能夠大大縮短係統的研發周期

，降低開發成本。

 

該係統實現人性化監控，包括室內環境監控數據顯示、終端節點控製以及對數據通過雲服務層處理進行室內環境舒適度評分
，並列出所在服務係統中的排名。係統界麵如圖4所示。

 

 

係統中隻對溫度(T)、濕度(H)和光照(I)3個參數進行監測。Web應用服務係統中排名算法為：Ri=|Ti-T|+|Hi-H|+|Ii-I|，其中T、H

、I是設定的參考值，再經過與係統中各R值進行比較得出。參數狀態及舒適度算法采用模糊理論，對應參數狀態如表3所示，熱舒適度評判如表4所示，光舒適度評判如表5所示，室內環境舒適度評判如表6所示。

 

 

 

本文采用一個室內環境作為測試場景。基於無線傳感網絡
，結合Web技術設計出能夠通過互聯網對家居室內環境進行遠程監控的物聯網係統。測試整體監控係統平台如圖5所示。圖中，1為Web應用服務係統，2為遠程智能監控平台，3為無線傳感器網絡。主協調器與遠程智能監控平台通過USB串口相連接
，溫濕度和光設備終端節點與監控平台相距20 m且放置在不同的房間
，啟動Web應用服務係統，監控室內環境終端節點
，可以查看遠程智能監控平台和室內環境舒適度監測係統。

 

 

實驗開始後，點擊室內環境遠程智能監控平台上按鈕，進入該平台查看監測到的溫度、濕shi度du和he光guang照zhao強qiang度du值zhi
，如ru果guo對dui光guang照zhao強qiang度du不bu滿man意yi，可ke以yi點dian擊ji燈deng光guang控kong製zhi按an鈕niu進jin行xing調tiao控kong
，同tong時shi可ke以yi點dian擊ji室shi內nei環huan境jing舒shu適shi度du監jian測ce係xi統tong按an鈕niu，進jin入ru該gai平ping台tai查zha看kan溫wen度du狀zhuang態tai
、濕度狀態、光舒適度、室內環境舒適度和排名情況。

 

試驗證明無線傳感器網絡工作正常
，遠程智能監控平台在無線傳感網絡和Web應用服務係統之間進行通信
，對室內環境參數進行實時監測，並根據實際情況對終端節點進行控製。

 

本文基於無線傳感器網絡
，結合雲計算和Web 2.0技術設計出能通過互聯網對室內環境進行遠程監控的物聯網係統。實驗證明，通過Webyingyongfuwuxitongkeduiwuxianchuanganqiwangluodejianceshujujinxingshishixianshi，bingnenggougenjushushidujiancejieguoduijiajushineihuanjingxiangyingshebeijinxingyuanchengkongzhi，congerwanchengduishineihuanjingdezidongtiaojie。gaixitongshixianleshejimude，weixiayibushixianduopingtaishishijiankongdaxialejianshijichu，shiwulianwangjiagouzaijiajushineihuanjingjiankonglingyudeyicichenggongchangshi。

 

下一步的研究方向是：(1)用Boa構建嵌入式Web服務器作為家庭服務器
，采用嵌入式Web服務監控平台作為遠程智能監控平台
，由TQ2440開發板以及Boa服務器組成，UART0編程實現串口通信，負責與主協調器的連接；(2)構建基於Hadoop的雲服務平台
，進行海量數據分析和提供人性化服務；(3)室內環境監測參數的具體化及其舒適度評判模型的詳細設計和實現。

 

本文來源於電子技術應用。