基于物聯(lián)網(wǎng)的溫控數(shù)據(jù)管理及智能決策系統(tǒng)

盛文婷 付國慶 袁勇 徐翠萍 劉文

摘? 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，使得實時溫度監(jiān)控技術有了新的研究方向。該系統(tǒng)開發(fā)針對室內(nèi)供暖所產(chǎn)生的海量溫度數(shù)據(jù)的管理與分析進行研究，通過使用各類傳感器，以無線網(wǎng)絡實時接收控制命令，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的管理和智能控制。這種基于物聯(lián)網(wǎng)實時溫控數(shù)據(jù)管理及智能決策系統(tǒng)的應用，增強了數(shù)據(jù)準確性，減少了故障排除時間，提高了工作效率，給供暖溫控設備的實時監(jiān)控帶來了較高的經(jīng)濟效益。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);溫控技術;數(shù)據(jù)監(jiān)測;智能決策

中圖分類號：TP311.5;TP391.4? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）07-0162-03

Development of Temperature Control Data Management and

Intelligent Decision System Based on the IOT

SHENG Wenting1，F(xiàn)U Guoqing1，YUAN Yong2，3，XU Cuiping1，LIU Wen2，3

（1.Computer Information Center of College of Science and Technology Xinjiang Agricultural University，Urumqi? 830091，China;2.Xinjiang Changsen Data Technology Co.，Ltd.，Urumqi? 830011，China;

3.Joint Laboratory of Digital Mine and Data Engineering，Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi? 830023，China）

Abstract：With the rapid development of IOT technologies，a new research study direction of real-time temperature monitoring technology has emerged. This system is developed for the management and analysis of mass temperature data generated by indoor heating. By using various sensors and receiving control commands through the wireless，data management and intelligent can be achieved. The application of such real-time temperature control data management and intelligent decision system based on the IOT enhances data accuracy，reduces troubleshooting time，improves work efficiency，and brings a higher economic benefits to the real-time monitoring of heating temperature equipment.

Keywords：IOT;temperature monitoring control technology;data monitoring;intelligent decision

0? 引? 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展、無線通訊和傳感技術的不斷成熟，我國物聯(lián)網(wǎng)技術研究進入又一高潮期。物聯(lián)網(wǎng)技術在各應用領域都發(fā)揮著不可替代的作用，有效推動了智能化的發(fā)展，實現(xiàn)資源合理分配、信息共享[1]。

將物聯(lián)網(wǎng)技術應用與室內(nèi)供熱溫控系統(tǒng)，整個系統(tǒng)基于FreeBSD系統(tǒng)開發(fā)，在虛擬機之上運行，通過虛擬機串口和物理機串口橋接的方式采集傳感器數(shù)據(jù)。利用Python開發(fā)了采集數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)入庫的后臺系統(tǒng)，實現(xiàn)了通過串口，以無線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)發(fā)送至采集（單片機）終端，再通過串口將終端數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)庫。對于已入庫數(shù)據(jù)的管理，開發(fā)了基于PHP+MySQL的傳感器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，其主要功能為數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘，主要功能有：用戶權(quán)限分級管理、數(shù)據(jù)瀏覽與預警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、相關系數(shù)計算等。本系統(tǒng)由新疆農(nóng)業(yè)大學科學技術學院計算機信息中心協(xié)同新疆工程學院數(shù)字礦山與數(shù)據(jù)工程聯(lián)合實驗室及新疆暢森數(shù)據(jù)有限公司開發(fā)完成，并應用于供暖溫控設備的監(jiān)測和分析，具有良好的經(jīng)濟價值。

1? 系統(tǒng)功能介紹

1.1? 用戶權(quán)限

實現(xiàn)多級權(quán)限管理，依據(jù)系統(tǒng)的安全規(guī)則和策略，各級權(quán)限用戶只可訪問已被授權(quán)的資源。

1.2? 信號源管理

動態(tài)添加房間及傳感器編號信息，當系統(tǒng)運行時，可以隨時增加或者刪除傳感器信息。

1.3? 數(shù)據(jù)采集

先添加房間編號及傳感器信息，再添加路由信息，系統(tǒng)可以動態(tài)添加、刪除路由信息。路由信息添加完成以后，底層后臺系統(tǒng)將通過輪詢的方式讀取路由信息與房間采集終端通信，通過無線的方式傳輸數(shù)據(jù)，進而將傳感器數(shù)據(jù)采集入庫[2，3]。為確保傳感器信息的準確性，當單節(jié)點路由無法達到目標節(jié)點時，可通過修改路由，由中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至目標路由。

1.4? 數(shù)據(jù)監(jiān)控

系統(tǒng)設計并開發(fā)了后臺自動守護進程，實現(xiàn)了整時、整天、整月以及整年自動計算的功能，計算項目主要包括最大值、最小值以及均值。

1.5? 實時數(shù)據(jù)顯示

利用AJAX技術動態(tài)顯示服務器提取的數(shù)據(jù)的更新和顯示：

（1）客戶端通過AJAX發(fā)送請求;

（2）服務器端Servlet接收請求;

（3）生成JSON數(shù)據(jù)并返回給客戶端;

（4）客戶端接收數(shù)據(jù)后顯示。

1.6? 數(shù)據(jù)匹配

相關系數(shù)計算，系統(tǒng)在底層實現(xiàn)計算傳感器時間序列的皮爾森相關系數(shù)[4]，用來反映兩個溫度序列的線性相關程度，從而判斷影響溫度變化的相關關系。通過客戶端系統(tǒng)將需要計算的傳感器溫度序列提交至底層系統(tǒng)，實現(xiàn)自動計算并返回前臺頁面。系統(tǒng)可自動調(diào)用天氣接口數(shù)據(jù)獲得當前溫度值并存入數(shù)據(jù)庫，也可批量導入，從而實現(xiàn)相關系數(shù)的比較。

1.7? 數(shù)據(jù)分析與挖掘

可將多個傳感器數(shù)據(jù)通過大屏實時顯示，同時可顯示異常數(shù)據(jù)、實現(xiàn)預警[5]。實現(xiàn)任意時間段溫度趨勢查詢，利用GD圖形庫自動繪制曲線，并且可以實時計算選定時間段的溫度最大值、最小值以及平均值;也可以將底層統(tǒng)計的整時、整天、整月以及整年的聚集結(jié)果通過GD圖形庫顯示出來[6，7]。通過數(shù)據(jù)分析與挖掘，可以將異常傳感器顯示出來。

2? 系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)從供熱溫控傳感器數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控、存儲、分析及挖掘等方面展開研究，集成一套完整的溫控數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)。

2.1? 總體架構(gòu)

本文主要研究供熱溫控海量傳感器數(shù)據(jù)管理技術，實現(xiàn)智能決策與控制，通過對采集的傳感器數(shù)據(jù)精準分析，實現(xiàn)能源的高效利用。主要涉及管理系統(tǒng)的集成、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘以及可視化等方面?？傮w架構(gòu)如圖1所示。

2.2? 采集設備層

采集設備層是傳感器信息采集系統(tǒng)的最基礎的功能，主要實現(xiàn)溫度實時數(shù)據(jù)的采集，為其他功能的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支持，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3? 主站層

系統(tǒng)從實際業(yè)務需求和數(shù)據(jù)特點出發(fā)，從平臺構(gòu)建、數(shù)據(jù)流實時分析、時間序列數(shù)據(jù)存儲、挖掘算法以及數(shù)據(jù)可視化五個層面深入研究。從實際業(yè)務需求和數(shù)據(jù)特點出發(fā)，對系統(tǒng)整體架構(gòu)和其中的關鍵技術展開深入研究，最終開發(fā)一套功能完善的物聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

2.4? 通信信道層

具體的通信方式根據(jù)具體采集場景而定，主要采用以下方式：

（1）230 MHz無線專網(wǎng)：這種通信信道具有高可靠性、實時性、安全性的特點，但架設成本較高;

（2）無線公網(wǎng)：在采集終端上安裝SIM卡，利用運營商網(wǎng)絡傳輸。其特點為：成本較低、應用范圍較廣，只要有運營商信號的地區(qū)都可以使用;

（3）考慮建設成本，也可采用基于射頻芯片的無線串口模塊（UART）進行通信，具有多種傳輸方式，可工作在433～470 MHz頻段。尤其在個別無信號、無法通信的區(qū)域，比如小區(qū)地下室，可以采用;

（4）光纖網(wǎng)絡：利用光纖網(wǎng)絡具有高通訊速率，高穩(wěn)定性特點，解決了部分無GPRS信號區(qū)域的通信問題。

3? 系統(tǒng)主要技術實現(xiàn)

系統(tǒng)總體實現(xiàn)的功能是，實現(xiàn)傳感器采集的溫度信息通過頁面可以查詢并通過圖形展示。

3.1? 系統(tǒng)的具體要求

系統(tǒng)分為兩級用戶權(quán)限。

普通用戶：只能進行信息的查詢，選定時間查看溫度圖形曲線。

管理員用戶：

（1）可實現(xiàn)普通用戶信息管理;

（2）可管理數(shù)據(jù)庫信息（可清除多余數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮、備份及還原）;

（3）可進行信息的查詢，選定時間查看溫度圖形曲線。

3.2? 系統(tǒng)的核心模塊分析

3.2.1? 用戶管理模塊

實現(xiàn)用戶的信息管理（用戶信息的增、改、查、賬號的禁用和開放）。

3.2.2? 溫度信息查詢展示模塊

用戶可以選擇房間編號，選擇該房間編號的時間段（例如2018-03-18至2018-04-18）則對應地在頁面上展示該時間段的溫度曲線。

利用AJAX實時無刷新讀出數(shù)據(jù)，對于傳感器寫入的數(shù)據(jù)，根據(jù)設定的時間，進行頁面的無刷新顯示[8]。

3.2.3? 數(shù)據(jù)庫管理模塊

主要是對數(shù)據(jù)庫清理、壓縮、備份、還原。系統(tǒng)按照一個房間只有一個傳感器設計，只展示這一個傳感器不同時間采集的溫度值的曲線，如表1和表2所示。

4? 結(jié)? 論

系統(tǒng)將該技術應用在智能溫控領域，對系統(tǒng)整體架構(gòu)和其中的關鍵技術進行了研究，以構(gòu)建監(jiān)測型數(shù)據(jù)管理平臺為總體目標，從平臺構(gòu)建、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘等多個層面展開研究，最終完成一套完整的海量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用后給供暖溫控設備的實時監(jiān)控帶來了較高的經(jīng)濟意義。

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作者簡介：盛文婷（1983.10—），女，漢族，甘肅武威人，講師，碩士，研究方向：計算機應用技術;付國慶（1989.05—），

男，漢族，新疆烏魯木齊人，助教，碩士，研究方向：計算機科學與技術;袁勇（1984.07—），男，漢族，新疆烏魯木齊人，實驗師，本科，研究方向：工業(yè)自動化;通訊作者：劉文（1982.02—），男，漢族，新疆烏魯木齊人，教授，博士，研究方向：大數(shù)據(jù)分析與管理。