基于物联网的多传感器数据采集系统研究

第３Ｏ卷　第１０期　Ｖｏ１．３０　Ｎｏ．１０　重庆理工大学学报（自然科学）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）　２０１６年１Ｏ月　０ｃｔ．２０１６　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－８４２５（ｚ）．２０１６．１０．０１７　基于物联网的多传感器数据采集系统研究　胡茂力，李艳春，肖南峰　（华南理工大学计算机科学与工程学院，广州５　１０００６）　摘　要：为了预防火灾、爆炸、泄漏、烟雾等灾害事故的发生，迫切需要实现对企业的安全生　产进行监控和预警。为此，设计并实现了一套基于物联网的多传感器生产环境数据采集系统。　使用ＴＱ６４１０作为网关，将其融合在无线传感器网络中，调用ＧＰＲＳ服务，将采集到的生产环境　数据可控地发送至远程的生产企业服务器进行甄别，之后再将预警结果发送至各类终端用户设　备。实验结果表明：该方案能快速地对企业生产环境进行数据采集，当存在危险数据时，能及时　做出预警与监控。　关键词：物联网；无线传感器网络；数据采集；安全监控　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—８４２５（２０１６）１０—０１０８一ｌ０　中图分类号：ＴＰ３９１．１　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ－Ｓｅｎｓｏｒ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ　ＨＵ　Ｍａｏ－ｌｉ，ＬＩ　Ｙａｎ—ｃｈｕｎ，ＸＩＡＯ　Ｎａｎ—ｆｅｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎ￣ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｐｒｅｖｅｎｔ　ｔｈｅ　ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｃｃｉｄｅｎｔｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｕｒｇｅｎｔ　ｔｏ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｈｉｃｈ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｓａｆｅｔｙ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｔｈａｔ　ｗｅ　ｃａｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｅａｒｌｙ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｏｆ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ．Ｗｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ａ　ｍｕｌｔｉ－ｓｅｎｓｏｒ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　ｔｈｉｎｇｓ　ｗｈｉｃｈ　ｕｓｉｎｇ　ＴＱ６４１０　ａｓ　ａ　ｇａｔｅｗａｙ．Ｉｔ　ｆｕｓｅｓ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ　ｉｎ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄ　ｃａｌｌｓ　ＧＰＲＳ　ｓｅｒｖｉｃｅｓ，ｓｅｎｄｓ　ｔｈｅ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｍｏｔｅ　ｄａｔａ　ｃｅｎｔｅｒ．Ａｆｔｅｒ　ｈａｎｄｌｉｎｇ，ｔｈｅ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｌｌ　ｓｅｎｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｏｆ　ｕｓｅｒ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍｅ　ｃａｎ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ｈａｖｅ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｔｏ　收稿日期：２０１６—０６—２８　基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１５７３１４５）；广东省公益研究与能力建设专项资金资助项目　（２０１４Ｂ０１０１０４００１）；广东省自然科学基金资助项目（２０１５Ａ０３０３０８０１８）　作者简介：胡茂力（１９９１一），男，硕士，主要从事智能计算与工业机器人研究；通讯作者李艳春（１９８１一），女，湖南涟　源人，博士研究生，讲师，主要从事计算机视觉和深度学习研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ａｓｅｒｗｅｒ＠１６３．ｅｏｍ；肖南峰　（１９６２一），男，江西南昌人，教授，博士，ＣＣＦ会员，本刊编委，主要从事人工智能，机器人，计算机应用研　究，Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｉａｏｎｆ＠ｓｃｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。　引用格式：胡茂力，李艳春，肖南峰．基于物联网的多传感器数据采集系统研究［Ｊ］．重庆理工大学学报（自然科学），　２０１６（１０）：１０８—１１７．　Ｃｉｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒｍａｔ：ＨＵ　Ｍａｏ—ｌｉ。ＬＩ　Ｙａｎ—ｃｈｕｎ。ＸＩＡＯ　Ｎａｎ．ｆｅｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｍｕｈｉ—Ｓｅｎｓｏｒ　Ｄａｔａ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆＴｈｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｙ（Ｎａｔｇｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ），２０１６（１Ｏ）：１０８　一ｌ１７．　胡茂力，等：基于物联网的多传感器数据采集系统研究　１０９　ｔｈｅ　ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｅａｒｌｙ　ｗａｒｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｉｎ　ａ　ｔｉｍｅｌｙ　ｍａｎｎｅｒ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ａ　ｄａｔａ　ｄａｎｇｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　ｔｈｉｎｇｓ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ｓａｆｅｔｙ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　近年来，在我国各类大中小企业生产中，发生　重大安全事故的案例越来越多，尤其是以火灾、爆　炸、泄漏、烟雾等灾害事故居多，所以监控和预警　这类灾害事故已成为迫在眉睫的任务。为此，本　文以各类企业重大危险源辨识及事故调查反演分　析为目标，以传统方法为基础并结合基于物联网　的监控和预警关键技术，构建了一个能对企业关　键生产装置中重大危险源进行辨识的灾害事故预　警和监控系统。该系统将对于防范我国各类企业　生产过程的火灾、爆炸、泄露、烟雾等灾害事故及　事故调查反演分析起极大的作用。　１　基于物联网的多传感器数据采集系统　设计　本又提出的基十韧状　的多传感器效据米集　系统的主要层次架构如图１所示。　［至　［　］　［二二　困　医　匝困　［　［　臣　至　［亟　三二］　图１　采集系鲚．的｛卓层次架枸　１．１无线网络层　无线网络层承载的是多传感器数据采集端，　主要任务为在监控现场进行数据采集，并定时将　采集到的数据通过ＧＰＲＳ传输到系统服务器。采　集的数据主要分为两种：①图像数据。即布置在　各关键生产装置处的摄像设备所拍摄的图像；②　环境数据，即由各类传感器所采集到的数据信息，　主要包括温度、湿度、烟雾浓度、一氧化碳浓度、二　氧化碳浓度、液化石油气浓度、氨气浓度、醛酮醇　类气体浓度等８种。本层主要使用８种类型的环　境数据传感器和１种图像传感器，通过ＺｉｇＢｅｅ局　域网络协议组成无线传感器网络进行数据的　采集　一　。　１）环境数据传感器节点。８种环境数据传感　器模块如表１所示，采用的是系统级芯片　ＳＴＭ３２Ｗ１０８。各模块各司其职，监测周围环境中　对应的元素值。由于采集数据格式（单位、数值范　围）各式各样，所以需要一个汇聚节点（亦即协调　管理节点）来进行管理。汇聚节点主要汇聚８种　环境数据传感器数据，进行格式化，并与ＴＱ６４１０　网关进行数据传输．因而可得到由环境数据传感　器所组成的无线网络层拓扑结构，该结构为星型　拓扑结构，如图２所示＿３　Ｊ。　表１　８种环境数据传感器　传感器类型　传感器型号　数字温度传感器　ＤＳ１８Ｂ２Ｏ　数字温湿度传感器　ＤＨＴ１１　烟雾传感器　ＭＱ－２　液化石油传感器　ＭＱ一５　一氧化碳传感器　ＭＱ－７　氨气传感器　ＭＱ一１３７　醛酮醇类气体传感器　ＭＱ一１３８　二氧化碳传感器　ＭＧ＿８ｌ１　（‘ｔ＇）ＰＬＡＮＥＴ＼　曩　厂ＰＬＡＮＥＴ＜‘＇Ｄ　ＰＬ　Ｔ　ｓＵＮ　州盯　千　１１０　重庆理工大学学报　２）无线网络组建。无线网络是基于ＩＥＥＥ　８０２．１５．４标准的无线传感器网络，该网络组建步　骤如下：①ＳＵＮ主节点（汇聚节点）首先初始化网　络状态，对ＰＬＡＮＥＴ表初始化，设置ＰＡＮ—ＩＤ和　Ｎｏｄｅ　ＩＤ（默认ＯｘＯ０００），清除原有的直接队列和　成后，ＳＵＮ节点与ＰＬＡＮＴ节点便可进行数据传　输。ＰＬＡＮＥＴ子节点的基本工作为：首先进行硬件　及相应变量的初始化，然后需要按下“发送按键”　触发发送数据包操作；当按键被按下后，会发送数　据包给ＳＵＮ主节点。ＳＵＮ主节点的基本工作则　为：首先进行硬件及相应变量的初始化，然后循环　间接队列；打开无线信道，在１１～２６信道中选择　一个能量最小的可用信道作为自己的网路信道，　并设置网络状态为ＴＲＵＥ，等待ＰＬＡＮＥＴ子节点　（传感器节点）加网。②ＳＵＮ主节点初始化完成　后，ＰＬＡＮＥＴ子节点准备加入网络。ＰＬＡＮＥＴ子节　点首先判断自己是否在网络中，若不在网络中，则　对自身进行初始化，构造１个负载类型为ＰＴ—ＳＵＮ　—ＳＥＡＲＣＨ的帧，类型为ＳＵＮ—ＳＥＡＲＣＨ—ＰＡＣＫＥＴ，　然后在信道上查找是否有可用的网络，发送搜索　数据包。③ＳＵＮ主节点收到ＳＵＮ—ＳＥＡＲＣＨ—　ＰＡＣＫＥＴ类型帧后，判断自身的ＰＬＡＮＥＴ表中是　否有空间，如果有就向ＰＬＡＮＥＴ子节点反馈１个　负载类型为ＰＴ—ＳＵＮ—ＡＶＡＩＬＡＢＬＥ的帧，类型为　ＳＵＮＡＶＡＩＬＡＢＬＥ——ＰＡＣＫＥＴ，发送应答包。④　ＰＬＡＮＥＴ子节点收到ＳＵＮ—ＡＶＡＩＬＡＢＬＥ—ＰＡＣＫＥＴ　类型帧后，就找到了１个可用的网络，此时需要检　查自己的ＰＡＮ—ＩＤ是否与ＳＵＮ节点一致，修改自　身的ＰＡＮ—ＩＤ和ＳＵＮ一致后，向ＳＵＮ单播发送１　个负载类型为ＰＴ—ＪＯＩＮ—ＲＥＱＵＥＳＴ的帧，类型为　ＪＯＩＮ—ＲＥＱＵＥＳＴ—ＰＡＣＫＥＴ的包，请求加入。⑤　ＳＵＮ主节点收到ＪＯＩＮ—ＲＥＱＵＥＳＴ—ＰＡＣＫＥＴ类型　帧后，检查自身的ＰＬＡＮＥＴ表空间，如果有空间，　就为该ＰＬＡＮＥＴ分配１个短ＩＤ，并反馈１个ＪＯＩＮ—　Ａ　ＣＣＥＰＴＥＤ—ＰＡＣＫＥＴ响应帧给ＰＬＡＮＥＴ。若无，　则反馈ＪＯＩＮ—ＤＥＮＩＥＤ—ＰＡＣＫＥＴ响应帧。⑥　ＰＬＡＮＥＴ子节点收到ＪＯＩＮ—ＡＣＣＥＰｒＥＤ—ＰＡＣＫＥＴ　类型帧后，从ＳＵＮ主节点发过来的数据包中提取　ＳＵＮ主节点分配的短地址并设置自己的短地址，　并将ｎｅｔｗｏｒｋＪｏｉｎＳｔｏｐＳｅａｒｃｈｉｎｇ标志改为ＴＲＵＥ，停　止搜索。至此，ＰＬＡＮＥＴ子节点加入网络　成功　。　３）无线网络的数据传输。无线网络组建完　检测是否收到来自ＰＬＡＮＥＴ子节点的数据包，若　收到数据包则进行分析，执行与数据包对应的操　作　］。ＳＵＮ主节点汇聚齐数据后，通过ＲＳ２３２交　叉串口线与物联网网关按照协议进行通信，其中　协议的细节在下一节数据链路层中会进行详细　解析。　４）图像传感器节点。图像传感器节点采用　的是ＵＳＢ摄像头。在图像采集方案设计上，采用　了Ｖ４Ｌ２（ｖｉｄｅｏ４　ｌｉｎｕｘ　２）这一针对ＵＶＣ免驱ｕｓｂ设　备的编程框架。其采集流程如下：①通过／ｄｅｖ中　的设备号，获取设备端口号，打开ＵＳＢ摄像头设　备。②选择图像输入，１个图像设备可以有多个　图像输入。③设置图像的制式和帧格式，制式包　括ＰＡＬ和ＮＴＳＣ，帧的格式包括宽度和高度等。④　向驱动申请帧缓冲，一般不超过５个。⑤申请物　理内存，即将申请到的帧缓冲映射到用户空间，这　样就可以直接操作采集到的帧，而不必去复制。　将申请到的帧缓冲全部人队列，以便存放采集到　的数据。⑥当前面的工作准备就绪后开始图像的　采集。⑦采集图像，以取得已采集数据的帧缓冲，　取得原始采集数据。发送给物联网网关　（ＴＱ６４１０），网关会通过ＧＰＲＳ　Ｍｏｄｅｍ来发送采集　到的数据给服务器。⑧停止视频采集。⑨关闭　视频设备。流程如图３所示＿５　Ｊ。至此，无线网　络层的８＋１种传感器的数据采集已完成，数据将　传输至数据链路层。　１．２数据链路层　数据链路层承载的是物联网网关，本文选用　天嵌科技研发的ＴＱ６４１０开发板，如图４所示　］。　使用的端口有：ＵＳＢ接口１，与ＧＰＲＳ模块连接；　ＵＳＢ接口２，与ＵＳＢ摄像头连接；ＣＯＭ接口ｌ，与　胡茂力，等：基于物联网的多传感器数据采集系统研究　Ｉｌ　１　尤线网络中的｝Ｊ：聚节点通过ＲＳ２３２交义串【１线连　接；ＣＯＭ接口２，与调试ＰＣ连接（可选）。　图３　图像传感器节点工作流程　Ｉ　ＢＩ．２　哥胡输＾输出（ＪＰＳ接　ＴＶ　ｏＵ！　终箍　（０ＭＩ　ＣＯＭ２　Ｉ　２ｖ电源骑～　ＳＰＫ　ＩＳＢ１、Ｌ　ＪＳＢｌ　ＧＰ　艟ｌＪ　钷峰键盘挂　ＣＡ　Ａ１）ｒ　ＳＤ｝鹰　ＣＡＮＯＩ　ｒ　砌ｒ　复ｆｉ键　Ｉ　ＪＳＲ（ＨＧ　槌码升是　图４　ＦＱ６４１０接口说明　物联网网父支持感知延伸设备之『ＨＪ的多种通　信协议和数据类型，实现多种感知延伸没备之间　数据通信格式的转换，对上传的数据格式进行统　一，同时刈‘下达到感知延仲网络的采集或控制命　令进行映射，，　生符合具体设备通信　议的消息。　物联网网关埘感知延伸设备进行统一控制与管　理，向』二层肼蔽底层感知延伸网络的异构性，共分　为４层：业务服务层、标准数据构成层、协议适配　和感知延仲层。物联网网关架构如图５　所示　ｍ　Ｉ　标准数据　ｔ　数据接收模块　数据发送模块　业务服务层　ｌ　ｔ　数据解析模块　Ｈ数据转挟模块ｌ　｛　｝　标；住数据构成屡　协议解析模块　协议适配层　数据发送模块　数据接收模块　感知延伸层　ｌ　’　＋　Ｉ依赖具体感知延伸设　、　备通信协议的数据　图５　物联网网关架构　物联网网火架构的各　没汁细　女ｌ１　Ｆ：①业　务服务层。主要模块为数据接收模块、数掂发送　模块。数据接收模块主要负黄接收来『Ｉ　｝　火数据　・｛　心发送过来的ｊＬ有标准格式的数据，例　发送　数　的命令或柠　改采集频率的通矢Ｉ１等，　将上　述数据往下传递给标准数据构成层。数　发送模　块贝ＩＪ主要负责　ｆｆ　央数据ｆ１１心安全地传输米『Ｉ最　底　感知延伸网络所采集许经过底层协议包装的　数据信息，包括环境数据传感器的数据以及ｌ皋ｌ像　传感器采集的　像信息。　接收　ｊ发送的过程　｛，，对于接收、发送的数据必须保证　安令　以及　协议封装有效性　②标准数槲构成层。主　模块　为数据解析模块、数据转换模块。当｝　数挑往　Ｆ传输时，数据解析模块将请求数据转换卡ｊｌ块进　行转换ｌＩ　作，将　ｉ准数据转换为协议适配　能够　理解的日＋底层感知延伸设备能够应用的数撕格　式，转换规则依赖于具体的底　通信协议。ｆｎ　、ｌ｛　底层的感知延伸没备往　传输采集的数　时，该　模块将请求数抓转换模块，将采集的数据转换为　、　务服务层能够发送的格式。小层的２个模块是　个物联网『ｘｘ］火没　‘的重要Ｉ　作，足网父的核心。　本　还实现＿ｒ物联网网火的ｒ　ｒ管理能　Ｊ，对底层　的感知延伸设箭进行统一控制管理，　ｆ　¨　输　数据时，屏蔽ｌ￣ｌＡ－协｝义的肄构　，埘数掂格　箭理　也达到统一。③协议适眦　。ｌＥ婴模块为协议解　析模块，主要负贞将底层多样的感知延ｆＩ｝Ｉ　箭所　支持的通信协议转换为格』℃统一、便于僻删的数　据和控制命令。④感知延仲　。主要模块为数据　ｌ】２　重庆理工大学学报　文采用云片网络提供的彩信、短信发送平台。图７　所示为基于云片网络的短信发送后台管理系统。　通过云片网提供的ＡＰＩ接口主要函数，付费获取　ＡＰＩＫＥＹ，写入服务器程序中，与指定的用户号码　接收模块、数据发送模块，与业务服务层类似，数　据发送模块主要负责发送数据给底层的感知延伸　设备，这些数据是经过标准数据构成层进行转换　后获得的。数据接收模块则主要负责接收来自底　层感知延伸没备采集到的数据，向上进行传输，发　送至标准数据构成层进行解析工作。本层的感知　延伸没备，主要包括８个环境数据传感器以及１　进行通信。　监测点信息管理　视频图像设备信息管理　个图像数据传感器，支持多种底层的通信协议，包　括ＲＦ１Ｄ协议、ＺｉｇＢｅｅ协议、蓝牙协议等。物联网　网关解决了物联网网络内不同设备无法统一控制　监　控　服　传感器信息管理　传感器类型管理　图像信息管理　传感器数据管理　预警信息管理　预警类型管理　监控控帝　和管理的问题，达到屏蔽底层通信差异的目的，并　使得最终用户无需知道底层设备的具体通信细　节，实现对不同感知延伸层设备的统一　访问　。　。　１．３数据存储控制层　务　器　数据存储控制层承载的是中央数据中心。中　央数据中心主要分为图像接收子系统、数据存储　子系统、图像处理子系统。图像接收子系统负责　图６监控服务器系统总体功能结构　接收图像数据，接收完成后再把图像数据发送到　数据存储子系统。数据存储子系统对图像做预处　理后进行存储，再把图像的编号放到待处理队列。　该队列根据图像处理子系统的负载量适时的发送　图像数据和处理命令到图像处理子系统对图像进　行处理，并把处理结果返回保存到数据库中，再把　相应监测对象的模板数据和刚处理得到的数据通　过融合模型计算，从而得到预警结果。对于有可　能发生灾害的数据生成预警信息，更新客户端的　预警信息列表。中央数据中心的监控服务器系统　总体功能结构如图６所示。该层处理图像数据及　图７云片网络短信发送后台管理系统　传感器数据还运用了其他算法，例如自底向上注　意机制、Ｉｔｔｉ算法、ＦＴ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｔｕｎｅｄ　ｓａｌｉｅｎｔ　ｒｅｇｉｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）算法等　’　１．４应用层　２　系统集成实现与测试　采集系统的实现如图８所示。多传感器数据　采集端和物联网网关实现后的实物如图９所示。　图９（ａ）中包含了８种无线传感器、汇聚节点、ＵＳＢ　摄像头、ＴＱ６４１０网关以及ＧＰＲＳ模块。为了实际　测试采集系统的数据采集效果，还设计了实验箱　。　应用层承载终端用户设备，主要用于数据的　显示和与用户进行交互。通过网络连接到服务器　后，客广Ｊ端通过给服务器发送命令，接收服务器返　回的数据。在客户端可以执行查看图像、查看预　警信息、对预警信息进行确认或取消等操作。本　来模拟火灾以及气体泄漏，分别如图９（ｂ）和图９　（Ｃ）所示。　１１４　重庆理工大学学报　袁２数据传输时间统计　注：时间单位为ｍｓ；带宽单位为（ｋｂ・ｓＩ１）。　从表２统计的数据中可以看出：在系统的　ＧＰＲＳ模块中，上下行带宽都能够超过１０　ｋｂ／ｓ，对　于传感器采集的数据进行传输是满足其通信需求　的，也证明了该ＧＰＲＳ链入的互联网网络可用于物　联网的网络搭建，具有有效性及可行性。当然，其　缺点也在于该ＧＰＲＳ网络的上下行传输速度不高。　通过查阅移动网络方给予的官方数据可知ＧＰＲＳ　通信最高带宽为１７２　ｋｂ／ｓ。由于客观因素以及通　信竞争等原因，用户只能享用其１／２的信道带宽，　从而导致最终用户所使用的带宽可能不足官方数　据显示的一半。在技术层面上来说，上行的带宽　只占总带宽的１／３。因此，如果接收与传输的数据　量增大，系统中的数据传输将成为瓶颈。不过，随　着３Ｇ、４Ｇ网络的全方面覆盖以及对应的通信技术　日趋成熟，这一问题可以很轻松地解决，而且日后　移动通信网络也必将在物联网技术的传输领域占　有不可替代的地位。　２．２环境传感器气体泄漏模拟实验　本实验主要目的是验证系统的无线网络层中　的８种传感器能正确有效地组网，并在组网后，汇　聚节点能通过连接线将数据传输至ＴＱ６４１０开发　板，并且通过ＧＰＲＳ模块将数据发送至中央数据中　心。要求１：８种传感器能组人统一网络，并互不　干扰的正常工作；要求２：在多个网络并存（存在多　个汇聚节点）时，各类传感器能够找寻属于各自网　络的汇聚节点，并正常工作。为了能满足要求１　和２的要求，设计了两次实验。实验１为单组网　络的正常工作。主要步骤：①汇聚节点（Ｓｕｎ节　点）与８种传感器节点（各Ｐｌａｎｅｔ节点）同时通电；　②观察各Ｐｌａｎｅｔ节点加入Ｓｕｎ节点组成的网络时　ＬＥＤ灯的明暗变化并检查汇聚节点的汇总数据；　③关闭８种传感器中的若干传感器，检查其他传　感器是否正常工作并检查汇聚节点的汇总数据。　实验２为多组网络的正常工作。主要步骤：①同　时启动两组传感器，观察各传感器的组网情况；②　关闭其中一组的某些传感器，观察两组传感器对　应的传感器数值的变化；③多次重复步骤②。　两组实验中组网成功后，需要传感器的汇聚　节点链接ＴＱ６４１０开发板，ＴＱ６４１０开发板再通过　ＧＰＲＳ模块连接入网，往中央数据中心发送传感器　节点采集的环境数据。单组传感器组网实验过　程：首先打开Ｓｕｎ节点开发板上的开关，此时开发　板上的ｐｏｗｅｒ指示灯亮，表明开发板已经上电，并　处于待机状态，实验时状态如图１２（ａ）所示。而　此时各Ｐｌａｎｅｔ节点开发板也由Ｓｕｎ节点开发板上　提供的电源同时被上了电，均处于待机请求加网　状态，实验时状态如图ｌ２（ｂ）所示。此时，使用串　口工具向Ｓｕｎ节点发送组建无线传感器网络的命　令“ｆ”。Ｓｕｎ节点开发板接收到串口发送过来的命　令“ｆ＂，则开始组建一个无线传感器网络，而各　Ｐｌａｎｅｔ节点开发板将陆续加入到该无线传感器网　络当中，但暂时未开始采集数据。实验时状态如　图１２（ｅ）和图１２（ｄ）所示。　此时，使用串口工具助手，发送“ｄ”命令至　Ｓｕｎ节点，查看各传感器的工作状态，如图ｌ３所　示。由于各传感器的工作按钮尚未被按下，所以　采集到的数据均为０。当各个Ｐｌａｎｅｔ节点上的ｓ３　工作按钮被按下之后，对应节点才开始进行相应　的环境数据采集，并将其定时发送到Ｓｕｎ节点上。　再次通过串口助手发送“ｄ”命令至Ｓｕｎ节点，即可　接收到采集到的环境数据信息。实验时采集的数　据如图１４所示。　胡茂力，等：基于物联网的多传感器数据采集系统研究　１１５　图ｌ２环境传感器气体泄漏模拟实验　ｒ｝＾蹴　谥葶　ｌ　。　葫礴簸节前爵髓　嚣　广　露　—　ｒ—　一　藩　ｉｎ　ｈ　辩　崮　二二＝：二ｌ　图１３　各传感器加入网络　鼹勰｝ｃ　ｌｄｌ　Ｔ　ｔｗ　ｔｅ　５：　震特霉ｌ铸∞　｝３　Ｓ　擤ｔｅｋ＃ｉ８　国　ｌｔ　日１毽ｌ０　ｌ￥　　蝰嘧垃ｌ毛黔　ｌ耗ｃｑ　ｃ。＿０：　Ｓｌ隅３　３：２　１：－。。ｉ姨）ｕ　　ｆ｝＝Ｊ，ｊ　辩Ｃ敝：ｍ　｛嗍　１救Ｉ∞　∞≈　傅ｌｔ位ｌ　船Ｍ　§　：；｛　ｖ　ｌ　⑨　曩　蕊　ｌ　｝｝｝　图１４；Ｆ－．总的数据示例　Ｐｌａｎｅｔ节点ｌ　还　一个Ｒｅｓｅｔ按钮『ＩＪ　以亟　置　点状念，使其还原到　始状态。也Ｉ　Ｊ‘以使用　开父ＯＴＩ—ｏｆｆ＂米州节节点的　网　：　否。父　传　感器’×Ｉ¨　的传感器会离　，　对应的传感器数值　会变为０。　本文验ｑＪ，父『才Ｊ　ＣＨ４传感　的Ｉ乜源，　数据变化女ｌ１　ｌ殳ｌ　１５所示。从Ｉ　述的单纰传感器　Ｉｘｘｊ实验ｔ　析呵以得　：８种类，　的传感　能准确　地加入　聚　点；通过ｌ从ｊ个Ｉ，ＥＤ灯的｝ＩＪ　ＪＪ暗川　以得　知足　』ＪＩｌ入无线网－｝ｔ；１　节点之　Ｉ　影响，　任意一个　点不　作或者工作不Ｊ　常，皆／１　影响　其他传感器节点。　瞄圈ｒ蓍　羹　—ｌ　■。　兰曩■●　霄１’　＇■ｌ’ｆ　ｔ■ｌ』，　＿一　蹬持鬻熙掰　｝鳃∞　堋｛－＿Ｊ　ｄ２２３黼　　Ｔ卿＂　ｔ啦　ｌ鲁　５　Ｃ　０　ｌｄ　ｔｖ《　１０　Ｖ　壤昭缝ｌ楚黜　４∞　Ｃ０２　ｌ掣１２６ｌ　ｉ鳓　Ｖ　００ｕＶ　粼暾　ｔｊ　ｅ　ｅ７匿鞠Ｓ饕４Ｍ｛０：００　　ｌ∞ｑＶ　俘止位｝　ｚＪ　骞辩站０　ｉ￡野　⑨美溺睾鞠ｌ　图１５　断开传感器时示例　多绀传感器纰网实验过程：同ＩＩ’ｆ打开厕绀传　感器，观察Ｉ从ｊ组传感器　点的组网指，Ｊ　Ｊ‘叫睛变　化．．通过多次实验验｝Ｉｔ　叫，附组传感　之『ＨＪ的　传感　１　点都能　绕行自的汇聚１　点ｌ　工作，　互小ｆ－扰。中央数据ｌｆ１心打外数　接收　序，　以接收通过ＧＰＲＳ链接的ＴＱ６４１０　Ｊｒ发板发送过　来的数据，如Ｉ矧１６所爪。从数据图像的变化　，Ｊ－以　７亍ｆｎ。　模拟气体泄漏Ｉｊｉ『＝后能准确捕捉剑符项环　境数据的变化，并准确　示到服务器端的腱示处。　２．３图像传感器实验　小实验的主要ｔｌ的：验证系统Ｉｆ　的ｌ殳１像传感　器１　点能够　常＿Ｊ　作，扶取Ｉ冬＿Ｉ像数据　…传到服　务器Ｉｆ，。实验步骤：①通过ＵＳＢ接ｆ　１将ＵＳＢ摄像　头连接入ＴＱ６４１０　发板ｌ｝Ｉ；②ＴＱ６４１０外发板通　过ＧＩ　ＲＳ模块拔　‘Ｉ　网，链接中央数　ｌＩＩ心；⑧在　火灾模拟实验耥ｒｆ１ｆＪｌ燃可燃物，ＴＱ６４１０　动图像　数　采集程序，摄像头自动拍摄火灾　像；④　ＴＱ６４１０　Ｊｆ：发板启动　像数据发送　序，将火灾图　像发送全中央数　－　。实验过　及结　分析：　九将各硬什都连接妥　，　Ｈ使川ＧＩ　Ｉ｛ｓ模块拔　允　，　火灾模拟实验｛彳ｉ的燃烧池『ｆ１０Ｉ燃町燃　物　、ＴＱ６４１０便开始发送图像数扒　服务器端。　服务器端接收到数据，　示在程序的　片展　处，　实验ｌＩｌｆｊ　休情况叟ｌ１【殳】ｌ７所示。从实验结粜中町　以　到，【皋Ｊ像数据采集系统ｆｌＪ一以清晰地捕捉剑生　产环境的　像数　，并发送剑中央数据【ｆＩ心，６－：￣Ｈ　以处州　，　示于腱爪处。　ｌ１６　重庆理工大学学报　薅　｝嚣　图ｌ６服务器端数据接收　图１７服务器端展示燃烧池火焰图像　２．４预警信息发送实验　体泄　嗣Ｉ火灾灾　都会ｆｊｌ发　Ｉ８所爪信息．陔　息ｈｉ！实Ｊ　系统的预警处　以搜　的预警处　片　村ｉ　Ｊ、　Ａｉ　ｌ的　效　。　表３采集时间数据　编号　验　ｒｒＱ６４ｌｏ的采　坝率变化．．采集频　率的　始ｆＩＩ（为６０　ｓ（１　ｍｉｌ１）　、【！ＩＪ　ＴＱ６４１０网关　分　钟发送ｔ次数　给ｒ１ｔ　数　－Ｉ　ｒ心，ｊ　体数值可以　采集时间　２（）ｌ５ｌ（｝０９Ｉ９ｌ５ｌ　８Ｉ６５　２（¨５ｌ（）（）９Ｉ９ｆ６ｆ８Ｉ９２　６０．０２７　６０．０７１　６０．０２２　ｌ５．０６９　ｌ５．ＩＩ　ｌ　时间间隔／ｓ　随小¨的　装　ｉ（　Ｉ没　１　¨　进行气体泄漏　以及火灾模拟Ｊ・　，从数　器采集ｌＩｌｆＭ１的十ｌ｛火数　，　・，Ｊ　以发现：　Ｊ　－，￣ｍＩｔ’‘　为６０　ｓ　（　系统　ｔ｝…』以取得＿炎于传感　２（）ｌ　５ｌ（｝０９Ｉ９ｌ７ｌ　８２６３　３所爪　２（）ｌ５ｌ（｝０９１９ｌ８ｌ　８２８５　卜，数　采集时问问　２０ｌ５１００９Ｉ９１８３３３５４　）　数据『ｌｌ心发脱数　２０１５ｌ（）（】ＬＪ１９１８４８４６５　２（】ｌ５ｌ（｝０９ｌ９ｌ８４８５６５　ｌ５．１００　据　常ＩＩ寸，发送ｒ“．＇＇指令ｉ　求　＿火）Ｊ『１快ｆ『：聚　点　的数据采集频牢，数　采　ｌＩ、Ｊ‘ｎ１ＪＭ隔被缩减为１５　ｓ　荭　ｊ灾　消　１ＩＪ‘（泄漏　ｆ小扩散，灾情变小），　ｆｆ１　ｒ　ｌ｝－央数据中心确　２０７　２０８　采　频　ｆＩｆＩ刮Ｊ　６０　ｓ／ｉ　２（）ｌ５ｌ（）（）９２【）Ｉ９０７４９】　２（）ｌ　５　Ｉ（）（）９２（）２（｝（）７５４７　认发　Ｊ　吠　．・，Ｊ’以　预没ｒ机接收端收到　ｌ殳ｌ　胡茂力，等：基于物联网的多传感器数据采集系统研究　ｌ１７　墨　鑫姜　嚣等嚣霪鬟　：Ｋ；　！疋慵．ｉｊ■　＇　确ｔ　．．　图１８预警信息展示　３　结束语　５　６　７　８　水文通过分忻　、Ｊ　ｑ．－ｊ　：安全ＩＩ，需要　控的数　据，没汁了基于物联网的多传感　数据采集系统，　并通过对采集方案　次　的扩充，Ｊｊ１人云片网的　信ＡＰＩ技术，最终实　ｒ数据采　系统，许设计　实验箱川ｔ以模拟火火环境．．迎过实验　叫：陔方　案能够伙迷地村企、ｌ　产环境进行数　采集，　１　仃　危险数据时，能及ＩＩ、ｆ做…预臀　ｊ　控　参考文献：　岳学军，王叶夫，刘永鑫基于（　Ｉ　Ｉ　与ＺｉｇＢｅｅ的果园　环境监测系统［Ｊ］．华南农业大学学报，２０１４，３５（４）：　１０９一ｌ１３　１　陈琴琴．基于ＺｉｇＢｅｔ　技术的病人无线监护系统研究　ｌ　Ｉ）Ｊ．成都：成都理工大学，２０１２．　ｌ　３］　温良．基于物联网的数字式煤矿安全监测监控技术研　究［Ｃｊ／／第九届全国煤炭工业生产一线青年技术创　新文集．北京：煤炭工业出版社，２０１４：２０—２５．　【４　Ｊ　过怡．基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的实验室监测系统　的设计ｌ　Ｊ］．苏州市职业大学学报，２０１４．２５（１）：２７　—３０．　许诗，文翰，肖南峰．基于无线视频传输的道路灾害监　控系统［Ｊ　Ｊ．重庆理Ｚ－大学学报（自然科学），２０１　ｌ　（１０）：４６—５３．　卢雯雯．基于视频图像的道路灾害监测和预警系统的　设计与实现ｌＩ）ｊ．广州：华南理工大学，２ＯＩ１．　党静．基于Ｇｏｏｇｌｅ　Ｍａｐｓ　ＡＩ　ｌ的道路灾难监测系统研　究与实现【Ｉ）』．广州：华南理Ｚ－大学，２０１２．　陈康先，程兴国，肖南峰．基于（　ｌ｛ｓ的视频图像传输　系统设计与实现【Ｊ］．南京信息工程大学学报（）自然　科学版，２０１ｌ，３（１）：７２—７７．　［９　Ｊ　天嵌科技有限公司．　ｒＱ６４１０说明【ＥｔＷＯＩ．Ｊ．１　２０１６一　（）５—２（】】．１１Ｉｌｌ】：／／ｗｗｗ．ｅｍｂｅｄｓｋ＞．ｔ。ｏｎＶｈｉｄＰｘ．ｐｈｌ￣？ｓ＝／　Ｉｎｄｅｘ／ｉｎｄｅｘ．ｈｈｎ１．　［１【】Ｊ　昔海阳，物联网技术与《科学　课程整合研究［Ｉ）Ｊ　开　封：河南大学，２０１２．　关舅．物联网行业商业模式发展分析ｌｌＪ　ｌ＿商业文化月　刊，２０１４（２７）：３５—４２．　【１２］　１１ｉ　ＢＥＮＥＤＥ　ｒｒ（）Ｍ　Ｉ）．Ｉ）’ＩＮＮ（）（：　、　（）－、，ＳＥＲＲＡ　Ｅ．ｔ　Ｉ　ａ１．Ａ　ＬｌＩ（１『ｌｍｔｋ’Ｖｔ－ｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｔ　Ｗｉｌ’ｔ、ｈ　ｓｓ（＇Ｏｌｉｉｉ’ｏｌ　ｉｎ　ＩＩ　ｍｉｎｉ　ＫＩｇ　～ｅｎｌｉｌａｌｉｏｎ　ｓｉｔ　Ｉ１１［ｃ］／／ＩＥＥＩ　（：【）１ｌｆｒＩｌｒＩＩ｛！ｔ　０１１　Ａｕｈ，Ｓｃ－ｉ一　¨　㈠ⅢＩ１　Ｆｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．［ｓ．１．］：ｌＥＥＥ，２（Ｘ）８：８５８—８６３．　　ＩＩ３　１　【：ＡＴｔｔＥＲＩＮＥ　Ｈ．ＭＡＩ１ＫＵＳ　．Ｉ＇ｌ’ｏｂａｂｉｌｉｓｌｉ￣・Ｒｔ　ａｓｏｎｉｎｇ　ＴＨ‘Ｉｍｉｑｕｅｓ　ｔｏｒ　Ｓｉｔｕａｔｉｏｎ［ｃ］／／１’ｌ－ＩｌＩ　ｃｄｉｎｇｓ　ｏｔ　ｔｈｅ　Ｔ　ｄ　Ｉｎｌｅｒｎａｔｉｏ　ｖｍｌ　Ｃｍｌ　ｒ　１‘・（　０１３　Ｉ，ｔｉ，’ｍａｔｉｏｎ＿ｒ㈨ｔｍｏｌｏｇｙ　ｉｌｌｌｄ　Ａｐｐｌｉ￣　ａｔｉｏｎｓ（ＩＣＩ＿ｒＡ’０５）Ａ　ＳＳＩ　ｎ　２（Ｘ）５．　【ｌ４］　沈阳．基于（　ＲＳ网络电动汽车远程监控系统设计的　研究ｌ　１）Ｊ．上海：上海交通大学，２【）１３．　ｌ　Ｉ５　Ｊ　部小宁　基于因特网的远程控制技术研究ｌ１）【．西安：　西北Ｚ－，ｊｋ大学，２００２．　（责任编辑杨黎丽）