基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧實驗室近遠程測控系統(tǒng)

，，

(1.西華師范大學(xué) 計算機學(xué)院，四川 南充 637000; 2.川北醫(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，四川 南充 637000)

0 引言

在具有實用性、交叉性與綜合性特點的新工科教育時代，在復(fù)合技術(shù)型的物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中，融合工科教育和物聯(lián)網(wǎng)復(fù)合技術(shù)應(yīng)用的迫切需求，使得基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的理論、實驗、管理三位一體化的智慧實驗室和智慧課堂的教育特點成為必然趨勢。目前，國內(nèi)外已出現(xiàn)了一些智慧實驗室或課堂相關(guān)研究，如智慧實驗室架構(gòu)[1-2]、智慧實驗室監(jiān)控系統(tǒng)[3]、智慧課堂研究[4]。同時，也出現(xiàn)了許多基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用/管理/服務(wù)系統(tǒng)研究或設(shè)計，如智能家居監(jiān)控系統(tǒng)或平臺研究[5-10]，類似系統(tǒng)設(shè)計(采集監(jiān)測/安防系統(tǒng)/污水監(jiān)測/古樹管理)[11-14]，及系統(tǒng)關(guān)鍵機制研究，如安全機制[15]、架構(gòu)[16]、組網(wǎng)[17]、計算處理[18]、組合與驗證[19]、節(jié)點數(shù)據(jù)收集協(xié)議研究[20]等。該文順應(yīng)新工科教育實用、交叉與綜合的特點要求，針對物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中理論實驗管理一體化的趨勢，從將物聯(lián)網(wǎng)復(fù)合技術(shù)和現(xiàn)代教育技術(shù)融合的角度，提出可將物聯(lián)網(wǎng)課程的理論教學(xué)、實驗自學(xué)、安全管理三位一體化融合的智慧實驗室測控系統(tǒng)，設(shè)計了系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)、層次和功能模塊、雙向數(shù)據(jù)信息流， 研究了感知、傳輸、應(yīng)用三層中各層功能的關(guān)鍵實現(xiàn)方法。

1 智慧實驗室測控系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 智慧實驗室近遠程測控系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)設(shè)計

智慧實驗室近遠程測控系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)大致分感知、傳輸、應(yīng)用層三層。網(wǎng)絡(luò)類型主要涉及室內(nèi)LAN網(wǎng)、校園LAN網(wǎng)、外部WAN網(wǎng)或Internet網(wǎng)絡(luò)。其中室內(nèi)LAN網(wǎng)被校園LAN網(wǎng)包含。系統(tǒng)地點主要涉及對應(yīng)室內(nèi)LAN網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)實驗室、位于校園LAN網(wǎng)絡(luò)(實驗室外)的理論教室和學(xué)生宿舍、位于校園LAN或WAN網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)的校內(nèi)或遠程管理室。

1.1 系統(tǒng)層次和功能模塊

系統(tǒng)層次、功能模塊和組成描述如表1所示。

表1 系統(tǒng)層次、功能模塊和組成

五部分功能模塊描述如下：

1)采集匯聚上傳傳感數(shù)據(jù)、反饋節(jié)點狀態(tài)、接收下發(fā)操作指令和配置數(shù)據(jù)、接受上傳請求命令。

2)采集上傳視頻數(shù)據(jù)、反饋攝像頭狀態(tài)、接收下發(fā)操作指令和配置攝像頭數(shù)據(jù)。

3)上傳請求命令、狀態(tài)信息、傳感數(shù)據(jù)，下發(fā)操作指令、配置數(shù)據(jù)。

4)上傳、存儲、分析、顯示接收數(shù)據(jù)/信息/命令，提供測控應(yīng)用平臺服務(wù)，提取數(shù)據(jù)/信息，下發(fā)命令和配置數(shù)據(jù)。

5)以近遠程方式靈活訪問測控平臺，以滿足三種角色/權(quán)限/安全級別的應(yīng)用需求。

1.2 系統(tǒng)雙向數(shù)據(jù)信息流

針對每個無線傳感網(wǎng)的終端類型，系統(tǒng)信息流分為傳感器、控制設(shè)備、攝像頭數(shù)據(jù)信息流。系統(tǒng)三種終端數(shù)據(jù)信息流程如圖2所示。由圖可知，三種數(shù)據(jù)信息流方向均為雙向，依照方向每種數(shù)據(jù)信息流又可分為上傳和下發(fā)數(shù)據(jù)信息流兩種。各數(shù)據(jù)信息流說明如表2所示。

圖2 系統(tǒng)三種終端數(shù)據(jù)信息流程

2 系統(tǒng)各層功能關(guān)鍵實現(xiàn)

系統(tǒng)功能關(guān)鍵實現(xiàn)主要包括感知層實現(xiàn)(無線傳感網(wǎng)+云攝像頭)、傳輸層實現(xiàn)(網(wǎng)關(guān)+路由器+交換機)、應(yīng)用層實現(xiàn)(服務(wù)器端+教師端+學(xué)生端+實驗師端)。

2.1 系統(tǒng)感知層實現(xiàn)

感知層功能主要基于物聯(lián)網(wǎng)實驗室內(nèi)n個無線傳感子網(wǎng)(1個教學(xué)全景WSN和n-1個實驗WSN)和3個云攝像頭實現(xiàn)。系統(tǒng)感知層功能為：通過各WSN子網(wǎng)，采集各自WSN傳感數(shù)據(jù)(溫度/濕度/光敏/可燃氣體/熱釋電)、搜集WSN終端設(shè)備(傳感器終端、窗簾/燈光/門禁有線控制終端、電視/空調(diào)/投影儀/霓虹燈紅外控制終端)狀態(tài)和終端節(jié)點(傳感器節(jié)點、有線控制節(jié)點、紅外控制節(jié)點)狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)，及攝像頭終端的狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)協(xié)調(diào)器上傳至傳輸層的網(wǎng)關(guān)；同時接收從網(wǎng)關(guān)下發(fā)到協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，并分發(fā)到各終端節(jié)點及各終端設(shè)備，根據(jù)數(shù)據(jù)類型進行設(shè)備配置或控制操作。

表2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息流說明

2.1.1 無線傳感網(wǎng)實現(xiàn)

1)無線傳感子網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)感知層的每個無線傳感子網(wǎng)(WSNi)內(nèi)部主體采用星狀拓撲結(jié)構(gòu)，如圖3所示。以每個WSN子網(wǎng)的WSN協(xié)調(diào)器為匯聚節(jié)點和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)中心。各終端節(jié)點(傳感器節(jié)點、有線控制器節(jié)點和紅外控制節(jié)點)通過有線(傳感器節(jié)點和有線控制節(jié)點)或紅外無線(紅外控制節(jié)點)方式控制節(jié)點下掛接的具體終端設(shè)備(傳感器、有線控制設(shè)備終端、紅外控制設(shè)備終端)。

2)無線傳感網(wǎng)節(jié)點組成結(jié)構(gòu)。

為統(tǒng)一實現(xiàn)掛接了不同終端設(shè)備的終端節(jié)點在基于zigbee的無線傳感網(wǎng)中規(guī)范化短距離無線通信，在實現(xiàn)節(jié)點結(jié)構(gòu)時，采用以Zigbee通信單元(無線射頻單片機CC2530 RF+zigbee協(xié)議棧Z-Stack)為核心的節(jié)點結(jié)構(gòu)方案。節(jié)點結(jié)構(gòu)方案如表3所示。

表3 節(jié)點結(jié)構(gòu)組成方案

3)無線傳感網(wǎng)節(jié)點程序流程。

由表3知系統(tǒng)中WSN節(jié)點有協(xié)調(diào)器節(jié)點、傳感器終端節(jié)點、有線控制器終端節(jié)點、紅外控制器終端節(jié)點四種類型。不同類型的節(jié)點功能由通用功能+特色功能實現(xiàn)。節(jié)點關(guān)鍵程序流程如圖4所示。

圖4 無線傳感子網(wǎng)節(jié)點程序大致流程

由圖4知，在無線傳感子網(wǎng)節(jié)點程序流程中，節(jié)點經(jīng)過時鐘、外設(shè)、MAC層、操作系統(tǒng)、中斷等一系列初始化后，進入OS啟動任務(wù)調(diào)度，操作系統(tǒng)輪詢各層是否有事件發(fā)生。當(dāng)有事件發(fā)生時，根據(jù)不同的節(jié)點角色(協(xié)調(diào)器節(jié)點、傳感器終端節(jié)點、有線控制器終端節(jié)點、紅外控制器終端節(jié)點)功能進行不同的響應(yīng)。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點作為網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點間的中介，主要負責(zé)上傳終端節(jié)點數(shù)據(jù)，下發(fā)來自網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，同時也管理維護無線傳感網(wǎng)。協(xié)調(diào)器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)之間通過串口進行數(shù)據(jù)交互。而終端節(jié)點(傳感器終端節(jié)點、有線控制器終端節(jié)點、紅外控制器終端節(jié)點)則作為協(xié)調(diào)器和終端之間的中介，主要負責(zé)上傳終端數(shù)據(jù)，下發(fā)協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)。

2.1.2 云攝像頭實現(xiàn)

為提高感知，在N個WSN基礎(chǔ)上，感知層設(shè)計了3個智能云攝像頭，負責(zé)視頻測控。云攝像機是網(wǎng)絡(luò)IP攝像機的延伸，是基于IP攝像機及云監(jiān)控和存儲技術(shù)開發(fā)的更實時客戶端應(yīng)用，使用戶在任意時空通過智能手機、平板、電腦等，連接攝像機實時獲取影像。該系統(tǒng)采用vimtag的VT-361搖頭式智能云攝像機，雙向語音通話，具有高清光學(xué)鏡頭，1280×720分辨率，4倍數(shù)字變焦，大功率紅外燈夜視距離達50 M，內(nèi)置回聲消除、噪音抑制功能，高質(zhì)量壓縮傳輸音頻，云臺旋轉(zhuǎn)360°控制，SD卡存儲， 可手機WIFI連接，也可客戶端賬號登錄控制。利用云攝像頭，針對教師、學(xué)生、實驗師訪問端，系統(tǒng)都可通過3種方式實現(xiàn)視頻測控：1)在訪問端下載客戶端軟件，登錄測控。2)通過云攝像頭注冊網(wǎng)站登錄測控。3)通過測控平臺啟動視頻測控。

2.2 系統(tǒng)傳輸層實現(xiàn)

傳輸層主要包含網(wǎng)關(guān)、路由器和交換機三部分。其中網(wǎng)關(guān)負責(zé)感知層和傳輸層的數(shù)據(jù)交互，通過數(shù)據(jù)傳輸格式轉(zhuǎn)換實現(xiàn)感知層WSN和傳輸層通信網(wǎng)間的網(wǎng)絡(luò)連接。路由器作為網(wǎng)關(guān)和近程服務(wù)器(或交換機)間中介，實現(xiàn)雙方通信和交互。交換機作為近遠程瀏覽器端和近程服務(wù)器(或路由器)間的中介，實現(xiàn)雙方通信和交互。

2.2.1 嵌入式智能網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)

嵌入式網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)從軟硬件層次可分為能量、硬件和軟件三層。網(wǎng)關(guān)功能模塊結(jié)構(gòu)及軟硬件層次如圖5所示。

圖5 網(wǎng)關(guān)功能模塊結(jié)構(gòu)及軟硬件層次

其中，能量層主要包含電源管理模塊及電源接口和開關(guān)；硬件層以Cortex-A8 CPU為核心，加上基本存儲資源Flash+DDR和接口資源(串口、以太網(wǎng)口、USB口、SD接口等)，及輸入輸出設(shè)備(LCD、LED、按鍵等)等；軟件層基于硬件層實現(xiàn)，以嵌入式操作系統(tǒng)linux內(nèi)核(含基本通用功能如多任務(wù)調(diào)度和管理、文件系統(tǒng)等)為核心，加上Z-Stack協(xié)議棧及Socket通信等功能。

2.2.2 跨層傳輸通信子網(wǎng)實現(xiàn)

與N個無線傳感網(wǎng)(WSNi)對應(yīng)，分別有N個無線路由器、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器端，及一個交換機。其中每個網(wǎng)關(guān)、路由器、服務(wù)器端處于同一局域子網(wǎng)，且通過交換機連接及固定IP，將路由器和服務(wù)器映射到實驗室外網(wǎng)(校園LAN網(wǎng)、WAN網(wǎng)或Internet網(wǎng))，由此形成跨傳輸層和應(yīng)用層的N個傳輸通信子網(wǎng)(網(wǎng)關(guān)i+路由器i+服務(wù)器端i+交換機)。如圖1所示。子網(wǎng)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 傳輸通信子網(wǎng)i架構(gòu)

2.2.3 傳輸層子網(wǎng)軟件程序流程

系統(tǒng)傳輸層子網(wǎng)功能主要涉及網(wǎng)關(guān)、路由器、交換機相關(guān)設(shè)備的啟動初始化，以及網(wǎng)關(guān)、路由器對于數(shù)據(jù)的上傳下發(fā)。其軟件程序大致流程如圖7所示。由圖7知，在傳輸層設(shè)備初始化后和基本參數(shù)配置后，不同設(shè)備進行各自角色等待消息或接收數(shù)據(jù)。其中，最核心的網(wǎng)關(guān)作為傳感層的無線傳感網(wǎng)和傳輸層的路由器之間的中介，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下發(fā)。它主要以串口方式與傳感子網(wǎng)的協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)交互，一方面接收來自協(xié)調(diào)器經(jīng)串口送來的傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)，并上傳給子網(wǎng)對應(yīng)的路由器和交換機，另一方面接收來自應(yīng)用層經(jīng)交換機和路由器送來的服務(wù)器數(shù)據(jù)(配置數(shù)據(jù)、控制指令等)，并經(jīng)由串口下發(fā)給子網(wǎng)對應(yīng)的協(xié)調(diào)器。

圖7 傳輸層軟件程序大致流程

2.3 系統(tǒng)應(yīng)用層實現(xiàn)

應(yīng)用層主要包含服務(wù)器端(近程服務(wù)器1-n)和近遠程瀏覽器訪問端(教師端、學(xué)生端、實驗師端)。

2.3.1 服務(wù)器端實現(xiàn)

圖8 應(yīng)用層服務(wù)器端和瀏覽器端軟件程序大致流程

系統(tǒng)1-n個近程服務(wù)器與1-n個WSN相對應(yīng)，每個服務(wù)器端i有分層結(jié)構(gòu)，主要包含中間件i，web應(yīng)用&數(shù)據(jù)庫服務(wù)器i, 數(shù)據(jù)庫i, 及Javaweb測控平臺i。如圖1所示。服務(wù)器端i功能實現(xiàn)主要涉及服務(wù)器端的啟動初始化，及登錄訪問。啟動初始化包含控制和接入功能中間件、服務(wù)器及管理、數(shù)據(jù)庫等模塊的功能啟動和初始化，以及模塊間的通信連接。登錄訪問主要依據(jù)不同B/S訪問端角色(教師、學(xué)生、實驗師)，分權(quán)限登錄訪問、管理測控。服務(wù)器端軟件程序大致流程如圖8(a)所示。

2.3.2 瀏覽器訪問端實現(xiàn)

瀏覽器訪問端主要涉及校園LAN網(wǎng)中近程瀏覽器訪問端(教師端和學(xué)生端)，及校園LAN網(wǎng)或WAN網(wǎng)或Internet網(wǎng)中近遠程瀏覽器訪問端(實驗師端)。從權(quán)限方面，教師端和實驗師端具有登錄訪問和管理測控所有WSN節(jié)點和終端(WSN1～n)，及云攝像頭(Camera1-3)的完整權(quán)限。學(xué)生端則只具有與賬號對應(yīng)的實驗WSN子網(wǎng)(WSNi)的部分訪問權(quán)限(測量和部分操控)。應(yīng)用層訪問端程序大致流程如圖8(b)所示。

由圖8知，在服務(wù)器端1-n及瀏覽器端1-3啟動初始化和接連后，服務(wù)器端等待B/S瀏覽器訪問請求，當(dāng)瀏覽器端訪問請求到來時，根據(jù)登錄賬號權(quán)限，對應(yīng)的服務(wù)器端i作出響應(yīng)。響應(yīng)時，不同的訪問端(教師端、實驗師端、學(xué)生端)可以訪問管理的權(quán)限不同。其中，教師端和實驗師端可以訪問、管理無線傳感網(wǎng)1-n個子網(wǎng)的數(shù)據(jù)，操控對應(yīng)的終端設(shè)備。學(xué)生端則可訪問管理無線傳感網(wǎng)2-n個子網(wǎng)之一的數(shù)據(jù)，并操控對應(yīng)的設(shè)備。

表4 系統(tǒng)測試條件

表5 三種B/S訪問端訪問性能測試結(jié)果

表6 三種B/S模式訪問端訪問功能測試結(jié)果

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)在指定測試條件下，分別對三種B/S訪問端(教師端、學(xué)生端、實驗師端)進行了功能測試和性能測試。

3.1 測試條件

近程服務(wù)器及3種訪問端測試條件如表4所示。

3.2 測試結(jié)果

基于近程服務(wù)器端，針對教師、學(xué)生和實驗師3種瀏覽器訪問端，該文分別對傳感器、有線控制設(shè)備、紅外控制設(shè)備、云攝像頭視頻進行了性能測試和功能測試。性能測試主要包含實時性、故障率、有效測控范圍3種性能指標(biāo)，結(jié)果如表5所示。功能測試結(jié)果如表6所示。

由表5和表6知，基于近程服務(wù)器端，通過三種瀏覽器訪問端，測控系統(tǒng)能夠?qū)χ腔蹖嶒炇业膫鞲衅鳌⒂芯€控制設(shè)備、紅外控制設(shè)備、云攝像頭進行實時有效的測量和控制。

4 結(jié)論

針對物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)中理論實驗管理一體化趨勢，基于無線傳感網(wǎng)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)通信、中間件、數(shù)據(jù)庫、Javaweb等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，該文提出了一種理論教學(xué)、實驗自學(xué)、安全管理三位一體化的智慧實驗室近遠程測控系統(tǒng)方案，設(shè)計了一種智慧實驗室測控系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)層次和功能模塊，并對感知層、傳輸層、應(yīng)用層進行了關(guān)鍵實現(xiàn)。系統(tǒng)測試表明，該系統(tǒng)具有良好的實時性、穩(wěn)定性和實用性。后續(xù)研究方向為：

1)系統(tǒng)的實時性、智能性、交互性：通過本地節(jié)點數(shù)據(jù)的更快速智能處理、更優(yōu)化的路由和拓撲結(jié)構(gòu)、更好的中間件技術(shù)、更智能的應(yīng)用層判別決策等，來進一步提高系統(tǒng)的實時性(訪問速度、數(shù)據(jù)傳輸速度、對可控設(shè)備的控制響應(yīng)速度)，智能性和交互性。

2)進一步提高并發(fā)性：設(shè)計更優(yōu)良的系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸模式、網(wǎng)絡(luò)通信和訪問方式，來進一步提高系統(tǒng)的并發(fā)性。

3)提高數(shù)據(jù)去冗余和壓縮存儲能力：研究更好的多源數(shù)據(jù)融合去冗方法、更優(yōu)的各層次數(shù)據(jù)存儲和壓縮方法、更方便的數(shù)據(jù)庫交互和存儲方式，來進一步提高數(shù)據(jù)去冗余和壓縮存儲能力。