B / S mimarisine dayalı ev ortamı için uzaktan izleme sisteminin tasarımı ve uygulaması
Liang Xuehui, Xu Fen, Wu Runzhou
(Elektrik ve Kontrol Mühendisliği Okulu, Kuzey Çin Teknoloji Üniversitesi, Pekin 100144)
: Nesnelerin İnterneti teknolojisinin hızla gelişmesiyle birlikte, akıllı evlerde sensör ağları, kablosuz iletişim, gömülü akıllı cihazlar ve büyük verilerin kombinasyonu geri dönüşü olmayan bir trend haline geliyor. Geleneksel C / S (İstemci / Sunucu) mimarisi çevresel izleme verilerinin uzaktan izleme zorluklarının, karmaşık sistem kurulumunun, yüksek sistem platformu gereksinimlerinin, yüksek bakım maliyetlerinin ve diğer eksikliklerin dezavantajlarını hedefleyen, B / S (Tarayıcı / Sunucu) mimarisine dayalı bir ev önerilmektedir. Çevresel kablosuz uzaktan izleme programı, çok sayıda çevresel parametrenin gerçek zamanlı izlenmesi ve ZigBee düşük güçlü yerel alan ağı protokolü aracılığıyla kablosuz aktarım için bir dizi uzak ev ortamı izleme sistemi tasarladı. Kullanıcılar, mobil terminalden veya PC terminalinden web üzerinden birden çok odadaki sıcaklık, nem, PM2.5 konsantrasyonu, formaldehit konsantrasyonu, CO konsantrasyonu ve diğer hava durumu bilgilerini doğrudan görüntüleyebilir. Sistem düşük güç tüketimi, düşük maliyet, basit yapı ve rahat kurulum ile tasarlanmıştır.
: Kablosuz sensör ağı; B / S mimarisi; akıllı ev; uzaktan izleme
: TP277 belge kimlik kodu: ADII: 10.19358 / j.issn.1674-7720.2017.08.029
Alıntı biçimi Liang Xuehui, Xu Fen, Wu Runzhou. B / S mimarisine dayalı ev ortamı uzaktan izleme sisteminin tasarımı ve uygulaması J. Mikrobilgisayar ve Uygulama, 2017, 36 (8): 92-94.
0 Önsöz
"İnternet +" ve "Endüstri 4.0" kavramı, endüstri, tarım, ev mobilyası, lojistik, hizmetler ve çevre koruma gibi çeşitli endüstrilerin ve ağların entegrasyonunu büyük ölçüde desteklemiştir. İnsanlar, nesneler ve çevre arasındaki bağlantı, Endüstri 4.0 çağının bir özelliği haline geldi ve giderek genişleyerek beşeri sosyal faaliyetlerin temel taşı haline geliyor. Bağlantılardan biri olarak, internette çevresel bilgilerin izlenmesi, toplanması ve gerçek zamanlı yayınlanması giderek daha fazla önem kazanıyor. Çevresel parametre bilgilerinin belirli bir zamanda ve belirli bir yerde gerçek zamanlı ve doğru bir şekilde sağlanması, Nesnelerin İnterneti teknolojisinin önemli bir parçasıdır.Bu bilgilerin sağlanması, çevre yönetimini, çevre koruma izlemeyi, kirlilik kaynağı kontrolünü, kamu etkinliklerini, iç mekan güvenliğini, trafik yönetimini ve kamu güvenliğini etkileyecektir. Ve diğer birçok alanın büyük bir etkisi var. Sensör üretim maliyetlerinin düşmesi ve sensör ağ teknolojisinin olgunlaşmasıyla birlikte, giderek daha fazla endüstri gerçek zamanlı bilgi hizmetleri sunmaya başladı [1].
Uzaktan izleme sistemlerinin uygulama senaryolarının sürekli genişlemesi ile, endüstriyel talebin ve ticari talebin sürekli artması, bu alandaki yerli ve yabancı bilim adamlarının sürekli araştırılmasını ve araştırılmasını teşvik etmiştir.
Yurtiçinde, Şangay Elektrik Gücü Üniversitesi'nden Dr. Yang Junjie, insansız bir trafo merkezi çevre fotoelektrik entegre güvenlik sisteminin [2] tasarımını inceledi ve Güney Çin Tarım Üniversitesi'nden Dr. Fan Zhiping, narenciye bahçelerinde [3], Wuhan Science and Technology'de toprak nemi için uzaktan izleme sisteminin tasarımını ve uygulamasını inceledi. Yu Yong Üniversitesi, uzaktan izleme alarm sistemi tasarımını araştırdı [4], Ulusal Madencilik ve Teknoloji Üniversitesi'nden Doçent Doktor Ning Fang, UCD'ye dayalı akıllı ev kontrol sisteminin arayüz etkileşim tasarımını araştırdı [5] ve Otomasyon Okulu, Chongqing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi'nden Hu Xiangdong Ev [6] ve benzeri için hafif, karşılıklı kimlik doğrulama protokolü.
Yurtdışında, Michigan Üniversitesi FERNANDES E ve arkadaşları, gelişmekte olan akıllı ev platformunun güvenliğinin, özellikle de Samsung'un SmartThings ekipmanına yönelik bazı çözümlerin derinlemesine bir analizini gerçekleştirdi [7].
1 Genel sistem planı
Şu anda, akıllı ev piyasası birleşik bir arayüz standardına ve protokol spesifikasyonuna sahip değildir ve akıllı izleme, toplu kullanıcılar için güçlü bir talep değildir. Bu yazıda tasarlanan modül, temel olarak düşük güç tüketimi ve düşük maliyet olmak üzere iki yönden başlar ve genel kullanıcıya dönüktür. Düşük güç tüketimi için benimsenen önlem, TInin ultra düşük güçlü MSP430F5438A işlemcisini ve CC2530 modülünü kullanmaktır; düşük maliyet, esas olarak piyasada test edilmiş ve nispeten yüksek maliyetli sensörlere sahip bazı yaygın sensörleri kullanmaktır. Piyasada birleşik arabirim tanımı olmadığından, bu modül diğer modüllerle iletişimi kolaylaştıran en yaygın kullanılan kablosuz seri bağlantı noktası protokolünü benimser. Sistem esas olarak çoktan bire tasarım modunu benimser. "Çoklu", birden fazla algılama düğümünün konuşlandırılabileceği ve "bir", yalnızca bir yönetim düğümü olduğu anlamına gelir [8]. Sistem yapısı şeması Şekil 1'deki gibi gösterilmiştir. Sistemin tespit düğümü, mevcut ortam sıcaklığı, nem, hava partikül madde konsantrasyonu, karbon monoksit konsantrasyonu ve formaldehit konsantrasyonu ile ilgili bilgileri gerçek zamanlı olarak toplayıp iletebilir ve verileri yönetim düğümüne iletebilir.Aynı zamanda, önceden ayarlanmış değer aşıldığında tespit düğümünde aşırı standart bir alarm cihazı bulunur. Modül hemen alarm verecektir. Sistemin yönetim düğümü, esas olarak toplanan verileri işlemek ve işlenen verileri uzak veritabanına iletmek için kullanılır. Uzak veritabanı ve Web istemcisi veri alışverişi yapar ve ardından kullanıcı veri bilgilerini web sayfası aracılığıyla görüntüleyebilir. Sistemin temel özellikleri, daha az donanım kaynağı kullanımı, kararlı devre çalışması, düşük güç tüketimi ve kolay taşınabilirlik ve kurulumdur.
2 donanım sistemi tasarımı
Donanım sistemi, işlemcinin çekirdeği olarak ultra düşük güçlü tek çipli MSP430F5438A'yı alır ve çevresel devre, sıcaklık ve nem toplama modülü (DHT11), ekran modülü (12864), hava kalitesi toplama modülü (GP2Y1051), ZigBee kablosuz iletim modülü (CC2530), karbon monoksit algılama içerir Modül (MQ-7), formaldehit algılama modülü (MQ138) ve alarm devresinden oluşur. Tek çipli mikrobilgisayar, toplanan çok kanallı sensör verileri üzerinde Şekil 2'deki algılama düğümünün donanım yapısı üzerinde gürültüden arındırma ve dönüştürme gibi basit işlemleri gerçekleştirdikten sonra, kablosuz olarak ZigBee üzerinden yönetim düğümüne (ağ geçidi olarak da adlandırılır) iletilir. Yönetim düğümü, verileri Tencent Cloud genel ağ sunucusunun MySQL veritabanına gönderir. Spesifik tespit düğümü yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir.
2.1 Ana kontrol çipi
Ana kontrol yongası, TInin MSP430 serisi ultra düşük güçlü mikro denetleyicisi MSP430F5438Ayı seçer. Ana tipik özellikleri şunlardır: (1) Düşük güç kaynağı voltaj aralığı: 3,6 V ila 1,8 V kadar düşük; (2) Ultra düşük güç tüketimi: Çalışma modu (AM), bekleme modu (LPM3), kapatma modu (LPM4), kapatma modu (LPM4.5), farklı çalışma modları, düşük güçle işleme için uygun olan farklı çalışma voltajlarına ve akımlarına karşılık gelecektir.
2.2 Kablosuz iletim modülü
ZigBee düşük güçlü yerel alan ağı protokolü kullanılır ve çok düğümlü yayın modu, kablosuz seri verileri göndermek ve almak için kullanılır [5].
Veri aktarımı sırasında daha istikrarlı iletişim sağlamak için, baud hızı 2400 b / s olarak ayarlanmıştır. Yalnızca toplanan veriler değiştiğinde veri aktarımı gerçekleştirilir. CC2530 veri almadığında, enerji tasarrufu için CC2530 hareketsiz bir durumda olacaktır; toplanan veriler değiştiğinde CC2530 uyanacak ve mikro denetleyici verileri analiz edip işleyecek ve ardından algılama düğümünde depolayıp görüntüleyecek ve seri bağlantı noktasından gönderecektir. Yönetim düğümüne, CC2530 daha sonra tekrar uyku durumuna girer ve bir dahaki sefere veri göndermeye devam etmek için uyanmasını bekler ve bu böyle devam eder.
2.3 Sistemin ana modüllerine giriş
Sıcaklık ve nem toplama modülü, kalibre edilmiş dijital sinyal çıkışına sahip ve son derece yüksek güvenilirlik ve kararlılığa sahip DTH11 dijital sensörü kullanır.Sıcaklık ölçüm aralığı 0-50 ve nem ölçüm aralığı% 20 bağıl nem ~% 90 bağıl nemdir.
Hava kalitesi toplama modülü, Sharpın GP2Y1051 sensörünü kullanır. Sharp GP2Y1051, GP2Y1050nin yükseltilmiş bir sürümüdür. Yükseltilmiş PM2.5 sensörü, önceki analog çıkış modunu iptal eder ve dahili algoritmanın ince ayarını yapar ve bir seri bağlantı noktası kullanarak sensörün kontrol çipine entegre eder Çıkış daha kararlı olacaktır PM2.5 gerilim değerini okumak için sadece 3 kablo gereklidir.
Karbonmonoksit modülü, karbon monoksite karşı yüksek hassasiyet, güçlü stabilite, uzun hizmet ömrü, büyük elektrik sinyali çıkışı ve 0.01 ppm ila 1 ppm algılama aralığı ile karakterize edilen MQ-7 sensörünü kullanır.
Formaldehit modülü, aldehitlere, alkollere, ketonlara ve aromatik bileşiklere karşı yüksek hassasiyete sahip olan MQ-138 sensörünü kullanır; Analog çıkış konsantrasyon arttıkça artar, konsantrasyon ne kadar yüksekse, voltaj o kadar yüksek olur; algılama aralığı: formaldehit 1-10 ppm.
3 yazılım tasarımı
3.1 Veri toplama yazılımı
Yazılım temel olarak iki kısma ayrılmıştır: bir kısım arka uç saptama düğümünün veri toplama programı ve yönetim düğümünün veri işleme programı ve diğer kısım ön uç Web sayfası görüntüleme programıdır. Veri ağının etkileşimli veri aktarımını gerçekleştirmek için ikisi arasında bir yönetim düğümü kullanılmaktadır Şu anda, deneysel aşamada yönetim düğümünün işlevini tamamlamak için bir kişisel bilgisayar kullanılmaktadır.
3.1.1 Arka uç algılama düğümü program tasarımı
Arka uç programı temel olarak üç bölüme ayrılmıştır: veri toplama, görüntüleme ve iletme. Şekil 3, ana program akış şemasıdır.
3.1.2 Ön uç WEB sayfası görüntüleme program tasarımı
Şekil 4, ön uç sayfa görüntüleme yazılımının bir tasarım çerçeve diyagramıdır Sistem, iki bölüm içerir: tarayıcı tarafı ve sunucu tarafı. Tarayıcı tarafı, kullanıcıların her zaman ve her yerde gerçek zamanlı izleme verilerini sorgulaması için kullanılır; sunucu tarafı toplanan verileri depolar ve görüntülenmek üzere Web sayfasına sağlar.
Gerçek zamanlı ekran esas olarak AJAX teknolojisini kullanır, çünkü HTML5 Web Soket teknolojisi piyasada yeni kullanılmıştır [9]. AJAX, bir Web sunucusu [10] ile veri alışverişi yapmak için istemci tarafı komut dosyalarını kullanan bir uygulama geliştirme yöntemidir. Birlikte kullanılan JQuery, tüm AJAX işlemlerini tek bir işlevde özetleyen hızlı, kısa ve hafif bir JavaScript kitaplığıdır [11].
3.2 Kablosuz iletişim terminali yazılım tasarımı
Ağ geçidi işlevini değiştirmek için yerel bilgisayarı kullanın, yerel bilgisayarda bir Python IDE derleme ortamı oluşturun, seri bağlantı noktasıyla bağlantı kurmak için PySerial paketini kullanın ve ardından seri bağlantı noktasından alınan dizeyi bir dizi biçimine dönüştürün ve verilerin istediğiniz şey olup olmadığını belirlemek için analiz edin Veriler, alınan verileri uzak sunucudaki yerleşik MySQL veritabanı tablosuna güncellemek için while döngüsünü kullanın.
Uzak sunucu bir Apache Web sunucusu oluşturur, MySQL veritabanı uzak arayüzünü açar ve aynı anda PHP IDE ortamını kurar, veritabanından veri okuyan programlar yazmak için PHP ve HTML kullanır ve Web'deki verileri dinamik olarak görüntülemek için HighCharts eklentisini kullanır Sayfa.
3.3 veritabanı tasarımı
MySQL veritabanı şunları içerir: algılama düğüm numarası (Sayı), toplanan veri bilgileri (Sıcaklık, Nem, PM2.5, Formaldehit, CO), algılama düğümü konum koordinatları (Koordinat) ve algılama süresi (Zaman). Spesifik tasarım Tablo 1'de gösterilmektedir.
3.4 Genel yazılım akış şeması
Genel yazılım tasarımı temel olarak üç bölüme ayrılmıştır: veri alma ve saklama, veri okuma ve Web sayfası görüntüleme. Bunlar arasında verilerin okunması ve web arayüzünün görüntülenmesi çağrılır ve çağrılır. Spesifik süreç Şekil 5'te gösterilmektedir.
4 Deney ve çalıştırma sonuçları
Sistemin geliştirme ortamı ve çalışma ortamı aşağıdaki gibidir.
Sunucu tarafı: Python2.7.10 + MySQL 5.6.17 + PHP5.5.12 + Apache2.4.9, işletim ortamı: Ubuntu sunucusu 14.04.1 LTS 64 bit.
Geliştirme araçları: PyCharm, Notepad ++.
Sunucu, Tencent Cloud üzerinde uygulanan bir bulut sunucusudur. CPU 1 çekirdek, bellek 1 GB, bulut sabit diski 8 GB ve genel ağ bant genişliği 1 Mb / sn'dir.
Sayfa, gerçek zamanlı olarak toplanan verileri görüntüler ve sayfadaki veriler, okunan seri bağlantı noktası verileriyle gerçek zamanlı olarak değişecektir, böylece seri bağlantı noktasından veri çıkışı, web sayfasında görüntülenen verilerle tutarlı olacak ve beklenen gerçek zamanlı görüntü etkisini elde edecektir.
Genel IP adresi: 115.159.100.208.
5. Sonuç
Bu belgede tasarlanan ev ortamı uzaktan izleme sistemi, verilerin uzaktan toplanmasını ve gerçek zamanlı görüntülenmesini gerçekleştirir. Sistem, ev ortamındaki çeşitli hava kalitesi bilgilerini doğru ve etkili bir şekilde izleyebilir ve toplanan verileri gerçek zamanlı olarak görüntüleyerek uzaktan izleme için uygun ve hızlı veri akışı hizmetleri sağlayabilir. Sistem, veri toplama ve gerçek zamanlı görüntüleme açısından iyi bir ölçeklenebilirliğe sahiptir.Daha fazla sensör eklenebilir veya daha fazla bilgi görüntülenebilir.Aynı zamanda, düşük maliyet ve düşük güç tüketimi bu tasarımın en önemli özellikleridir.
Referanslar
1 Lv Bingchao, Yang Yang, Wu Minyou.Gerçek zamanlı bilgilerin teorik araştırması ve uygulaması J. Bilgisayar Mühendisliği ve Tasarımı, 2010,31 (18): 4012-4014.
2 Ren Tangzheng, Yang Junjie, Lou Zhibin Gözetimsiz bir trafo merkezinin çevresi için entegre bir fotoelektrik güvenlik sisteminin tasarımı J. Elektriksel Ölçüm ve Enstrümantasyon, 2016, 53 (12): 111-117.
[3] Fan Zhiping, Hong Tiansheng, Liu Zhizhuang, ve diğerleri Narenciye bahçelerinde toprak nemi için uzaktan izleme sisteminin tasarımı ve uygulaması J. Journal of Agricultural Engineering, 2010, 26 (8): 205-210.
[4] Yu Yong, Ma Yajie, Peng Panlai, ve diğerleri Uzaktan izleme ve alarm sistemi tasarımı J. Automation Instrumentation, 2016, 37 (6): 62-65.
5 Ning Fang, Jin Danliang.UCD J 'ye dayalı akıllı ev kontrol sisteminin arayüz etkileşim tasarımı Ambalaj Mühendisliği, 2016, 37 (2): 94-98.
6 Hu Xiangdong, Zhao Runsheng. Akıllı ev için hafif karşılıklı kimlik doğrulama protokolü J. Journal of Sensor Technology, 2016, 29 (5): 751-757.
7 FERNANDES E, JUNG J, PRAKASH A. Ortaya çıkan akıllı ev uygulamalarının güvenlik analizi C. 2016 IEEE Güvenlik ve Gizlilik Sempozyumu (SP), 2016: 636-654.
8 Jiang Linying, Zhu Zhiliang, Li Hailong ve diğerleri. Gömülü laboratuvar ortamı izleme sistemi C. WASE Uluslararası Bilgi Mühendisliği Konferansı, 2009: 197201.
9 Yang Jianye, Geng Jianping.HTML5'e Dayalı Gerçek Zamanlı Web Veri İzleme Sistemi J. Journal of Guilin University of Electronic Technology, 2015,35 (2): 136-141.
[10] Zhang Liqian, Chang Xiaoyan, Miao Jie, ve diğerleri. Web Platformuna Dayalı Gerçek Zamanlı Veri Görüntüleme Araştırması J. Journal of Inner Mongolia Agricultural University (Natural Science Edition), 2008, 29 (3): 164-166.
[11] Luo Lijuan, Gu Suolin, Zhang Bin. Web platformu J altında ölçüm ve kontrol ekipmanının dinamik verileri için gerçek zamanlı görüntüleme sisteminin tasarımı ve uygulaması. Command Control and Simulation, 2015,37 (4): 118-122.
