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标题 基于物联网的室内设备监管系统设计
范文 李华洲



摘 要： 针对室内设备的监管问题，提出了一种基于物联网技术的室内设备监控管理系统，该系统通过结合以太网通信、以太网供电（POE）和无线传感器网络技术实现。该系统由终端节点、参考节点、POE交换机和服务端四部分组成。通过终端节点与被监控设备绑定，利用加速度传感器、温度传感器实现对被监管设备的信息采集，利用无线传感网传输前端感知数据，并使用以太网作为主干网进行数据传输和供电，最终由服务端完成数据的存储、处理和呈现。该系统结构清晰合理，部署简单，为室内监控系统设计提供了新思路。
关键字： 物联网； 以太网； POE； 无线传感器网络； 室内设备； 监管系统
中图分类号： TN926?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）03?0031?03
Design of IoT?based monitoring and management system for indoor equipments
LI Hua?zhou
（School of Information Engineering， Nanning College For Vocational Technology， Nanning 530009， China）
Abstract： An indoor equipment monitoring and management system based on Internet of Things technology is proposed in this paper to solve the For regulatory issues of indoor equipments. The system is realized by Ethernet communication， power over Ethernet （POE） and wireless sensor network technology. It consists of terminal node， reference node， POE exchanger and server?side. Information acquisition of the monitored equipments is implemented by binding the terminal nodes to the monitored equipments， and using acceleration sensor and temperature sensor. Wireless sensor network is used for transmission of the front?end perception data. Ethernet is employed as a backbone network for data transmission and power supply. Data storage， processing and display are achieved by server. The system has reasonable structure and simple deployment. It provided a new idea for design of indoor monitoring system.
Keywords： IoT； Ethernet； POE； WSN； indoor equipment； monitoring and management system
0 引 言
随着社会的进步，对室内贵重设备的管理要求不断提高。目前对于室内设备的监控和管理，采用的方法以人工结合监控摄像头等方式，智能化程度不高。部分系统使用RFID实现，实时性不强，监控功能也受限。对于电子设备的定位和使用率等数据，都是通过人为登记的方式实现，没有实现自动化。
有线以太网在室内信息交互中具有基础设施齐全，容易布线，覆盖广泛，传输稳定性与可靠性高，可直接接入公网等优势。以太网供电（Power Over Ethernet）[1]技术在无线路由、无线AP、VoIP电话及安防设备等产品中应用广泛，符合802.3af标准[2]的POE的PD端设备可以从PSE端设备获得10 W以上的电能。802.15.4无线[3]具有通信功耗低、频段免费使用等优点，而且用来实现安防监控隐蔽性高。
为此，本文利用建筑物内和楼宇之间现有有线以太网的可靠通信并可实现POE供电，同时利用802.15.4的低功耗、监控高隐蔽性等优势，形成一个由无线和有线组成的室内通信网络，通过使用低功耗的温湿度、加速度传感器，并基于此混合通信网络，实现基于室内设备的管理和实时监控等应用。
1 系统构架
系统构架如图1所示。按照物联网的网络结构，可将系统分为：
感知层：由终端节点实现数据采集。在每个需要监控的设备如笔记本电脑、投影仪、工作站上都贴了一个终端节点。它是带有温湿度传感器芯片、低功耗三轴加速度传感器芯片、具有无线通信功能的微型计算机系统，它可以采集温度、加速度数据和收发标准802.15.4协议的无线数据包。它的工作方式是基于休眠?唤醒机制。ATmega128RFA1[4]的Power Down 工作模式在WDT关闭的情况下工作电流为100 nA，RTC 定时器中断或外部中断可唤醒正在休眠的MCU。
网络层：由参考节点和以交换机为核心的以太网组成通信网络。参考节点既可以与终端节点无线交互无线数据包，也可以通过双绞线连接到POE交换机。它接收终端节点发过来的无线数据包，并将有效传感器数据取出，转存至以太网标准格式数据包，通过以太网接口将数据转发至以太网中的服务器主机。同时它作为IEEE 802.3af协议中 的PD 端（Powered Device）可以从POE交换机获得10 W 以上的电能，足够MCU全时间工作在常态模式。POE交换机是二层交换机，作用是以太网网络数据包的交换，并作为供电端（PSE端）给受电端（PD端）提供电能。
应用层：由服务端完成数据的存储和应用。服务端负责将参考节点发送过来的以太网数据包进行解析，并存入系统后台数据库中，为应用层提供云数据服务。同时服务端搭建了Web服务供客户主机访问，本系统在服务端设计了一个Windows下Apache+MySQL+PHP[5]的示例网站提供设备的管理和监控。
2 系统组成部分
本系统由终端节点、参考节点、POE 交换机和服务端四个部分组成。其中终端节点和参考节点中的单片机使用的是AVR 的ATmega128RFA1 的这款SOC。
2.1 终端节点
终端节点结构如图2所示，它使用的传感器有三轴加速度传感器LIS3DH[6]、温湿度传感器SI7005。两种传感器都是I2C型。两个不同地址的I2C设备通过I2C总线能被MCU寻址访问。
终端节点的工作机制如图3所示，它是基于休眠唤醒机制，在大多数的时间内，MCU是工作在power down 的工作模式内。在此模式下MCU的耗电电流是0.9 μA。它可以被设置的RTC定时唤醒，也可以被外部中断唤醒。此处是10 s 定时唤醒一次采集温度数据并发送温度包。外部中断与三轴加速度的报警中断连接，中断触发后被唤醒的MCU会通过无线收发IC 发送加速度报警数据包。然后再进入休眠模式。这样的工作机制是最大限度的保证节点的工作时间即电池的续航时间。
2.2 参考节点
参考节点按功能模块划分可以分为网络接口模块和电源转换模块，如图4所示。
（1） 网络接口模块
PHY以太网控制器使用的是ENC28J60?ISO。它兼容标准的IEEE 802.3协议，集成部分MAC层和10BASE?T物理层协议，将以太网串行差分信号转换成TTL的SPI信号与MCU交互，使用的是RJ45的1、2和3、6两对串行差分信号线。
ENC28J60[7]实现了部分物理层和数据链路层的协议，而本系统使用了uIP协议栈来实现数据链路层以上的网络应用。uIP的工作流程如图5所示。

图5 参考节点通信流程图
本系统中的参考节点是作为TCP客户端使用http get的方式将温湿度、无线数据包RSSI数值、加速度数据写入URL中，传输到服务端。
（2） 电源转换模块
参考节点采用POE技术取电。POE使用的是RJ45的4、5和7、8两对空闲线对和网络变压器的中心抽头。POE模块使用的POE芯片是Silabs公司的SI3402[8]开关稳压器，支持“中跨式”和“终端式”两种方式的电源输入，兼容802.3af、802.3at（POE+），集成了所需的整流二极管和瞬态抑制管。本系统的POE模块是class 3，可以给负载提供10 W的电量。
SI3402稳压开关频率在350 kHz，参考设计方案有隔离和非隔离两种设计。本模块使用隔离式设计。
2.3 POE交换机
本系统中，POE交换机使用的是TP?LINK TL?SF1008P 8口二层交换机。
2.4 服务端
服务端的设计使用的是Windows下Apache+Mysql+PHP搭建提供数据存储和访问。本系统实现了一个监控网站，提供设备库存管理，设备借还和设备实时监控三种功能，如图6所示。
系统的实时监控，包括系统的设备使用率调查、位置监控和防盗。对于设备使用率调查统计，本系统通过温度数据实现。将指定设备的定时采集到的温度历史数据超过35 °C的次数和总次数做比值，作为相应设备的使用率并反馈给客户端。对于设备的位置，基于终端节点发来的基于RSSI[9]的参数。服务端也将可以实时地将最新的需要查询的设备归入收到的最大RSSI 值的已知位置的参考节点所在区域呈现。对于防盗报警，基于TCP Socket[10]技术。服务端会主动地轮询数据库中非工作时间固定设备的防盗报警记录，并主动将报警信息推送给客户端。
3 结 语
室内的无线监控应用，可以与传统的有线以太网结合，充分发挥各自的优势。本系统不但可以实现设备的日常管理，还可以通过传感器和通信网络实现对设备的实时监控和报警。今后本系统可以升级完善的地方有：
定位的算法部分需要改进，目前只是通过参考节点的部署，简单地通过RSSI判断；
参考节点的网络接口部分需要有EMC设计改进；
报警可以采用GSM短信报警、APP报警等实用性更好的方式。
参考文献
[] 张晓东.POE供电技术在电视监控系统中的应用[J].信息系统工程，2012（8）：38?39.
[2] 胡志华，郭其一.基于IEEE802.3af的以太网供电技术（POE）[J].仪表技术，2007（4）：54?56.
[3] 张荣标，谷国栋，冯友兵，等.基于IEEE802.15.4的温室无线监控系统的通信实现[J].农业机械学报，2008，39（8）：119?122.
[4] 裘莹，李士宁，吴雯，等.通用无线传感器网络节点平台设计[J].计算机工程与应用，2012，48（23）：90?94.
[5] 郭泉成，刘钰，刘红，等.基于WAMP的远程医疗咨询系统的设计与实现[J].微型机与应用，2013，19（32）：17?18.
[6] 韩文正，冯迪，李鹏，等.基于加速度传感器LIS3DH的计步器设计[J].传感器与微系统，2012，31（11）：97?99.
[7] 刘琼，朱志伟，周志光.基于ENC28J60的嵌入式网络接口的设计[J].微计算机信息，2008（14）：306?308.
[8] 张海亮，李德敏.基于FIC8120和PoE的IP?Camera设计[J].微计算机信息，2007（12）：148?149.
[9] 张美燕，蔡文郁，周丽萍.无线Zigbee传感网RSSI定位技术研究[J].计算机技术与发展，2014（10）：23?25.
[10] 伍丹，高红菊，梁栋，等.无线传感器网络农田环境监测管理平台设计[J].农机化研究，2014（9）：138?141.
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更新时间：2025/2/6 6:02:29