基于物联网技术的监控系统研究

刘西青

(山西煤炭职业技术学院教科研部，山西 太原 030031)

0 引言

物联网(又叫传感网)早在1999年国内就被提出来了。该网络将被监控对象与互联网相连接，使用 RFID(射频识别)、红外感应器、GPRS(全球定位系统)和激光扫描器等信息传感设备，按约定的通信协议，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种综合智能网络。

随着互联网技术的发展和完善，物联网被应用在各行各业，涉及智能交通、环护、安全、家居、消防和工业监测监控等多个领域。有专家预计，物联网技术将会发展成为一个具有上万亿元规模的高科技市场。在经济发展和生活水平日益提高的背景下，人们对家居环境要求也日见增高，希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。国家建设部规定，目前住宅小区应实现六项智能化要求，其中包括实行安全防范系统自动化监控管理，如对住宅的火灾、有害气体泄漏实行自动报警等。火灾报警系统应是以烟、温及可燃气体等探测器为主体。

目前关于智能小区的研究主要集中在商业大厦和办公大楼的整体控制上，而对单户型的室内智能控制研究甚少，而监控系统的集成控制也是个研究方向，即室内监控系统与网络互连的技术问题以及监控系统与建筑电气、通风空调、给排水、建筑消防、生活娱乐等子系统相连，组成一个系统，集中控制的技术问题。因此，室内智能监测系统的研究具有重大的现实意义和很大的研究空间。另一方面，随着经济发展和社会进步，人们对现代化居住和办公的环境提出了更高要求，也使得构建智能小区的呼声越来越高，而要构建智能小区，室内智能监控系统必不可少。

为此，本文提出了一种基于物联网技术和GSM/GPRS的室内监控系统，该系统采用多种传感器、C8051F040单片机及SIM300无线通信模块构成数据采集、处理、发送系统，能够连续实时的对监测现场的环境进行监控，并通过GSM/GPRS通讯网络，将室内信息及时反馈。

1 监控系统总体设计方案

该设计实现对室内环境防火、防盗等的智能监控。系统以C8051F040单片机为主控制器，以无线调制解调器为通信载体。智能监控系统的组成框图如图1所示。

其中实现数据信息采集模块的为各类传感器和无线信号接收单元;智能监控模块为C8051F040单片机;GSM/GPRS通信网络依托SIM300无线通信模块发送监控信号;用户手机或智能监控中心接收监控信号，并作出及时的处理，从而实现对室内环境参数的实时监控。

2 信息采集模块的设计

室内发生火灾或发生有毒气体泄露时，室内空气的温度会发生变化，烟雾及有毒气体等的浓度等级也会有明显的变化，因此可以通过相应的传感装置进行此类信息的实时采集。

此系统用到的传感器有温度传感器、一氧化碳传感器和烟雾传感器，分别用来监测和预防火灾和有毒气体(如一氧化碳)泄漏的发生。实际使用中可根据需要再增加其它类型的传感器(如门磁设备、红外传感器等)，从而达到不同的监控目的。

图1 智能监控系统组成框图

3 信息的智能处理技术

此系统的创新点在于对信息的智能化处理，即如图2所示的基于神经网络的多传感器智能处理系统。

图2 基于神经网络的多传感器信息智能处理系统

该系统的组成和工作过程为:首先对温度、烟雾浓度和CO浓度传感器进行实时监测，然后对其采集到的环境特征数据进行预处理和特征提取后，转换为神经网络能够识别处理的输入特征量，最后由神经网络对输入特征量智能化处理后得出对室内环境的分析和判断。

采用神经网络的智能化处理，可以极大地提高整个物联网系统的可靠性，有效减少信息的误报率。神经网络信号处理过程接近于人脑的思维活动，有很强的环境适应能力、学习能力、容错能力和并行处理能力。当输入输出关系无法用具体的数学模型来描述时，神经网络智能算法通过学习、训练、仿真，可以模拟出输入输出之间内在的联系，以达到智能处理信息的效果。

4 无线通讯系统

GSM网络经过多年的发展完善，现在已经非常成熟，盲区少，信号稳定，自动漫游，并且通讯距离不受周围环境影响。尤其是GSM短信息灵活方便，可以跨市、跨省、甚至跨国传送，而且非常便宜。因此利用手机短信来实现报警、远程遥控家居设备是一个非常不错的选择。

GPRS就是通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势，是一项高速数据处理的技术，具有以下特征:①可以更有效地利用无线网络信道资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输;②支持的数据传输的速率更高，理论峰值达115kbps，此速度是常用56Kmodem理想速率的两倍;③计费方式更加灵活，可以支持按数据流量来进行计费，迅速降低了服务成本;④支持在进行数据传输的同时进行语音通话等。

本系统采用GSM/GPRS网络进行报警内容的远程传输。该功能由SIMCOM公司的SIM300模块来实现，SIM300是一款三频段GSM/GPRS模块，能够提供GSM短信发射通道等。该模块内部还集成了TCP/IP协议栈，并且扩展了TCP/IP AT指令，便于用户开发数据传输设备。系统装设SIM卡槽，当出现报警信号时，单片机通过发送AT指令给SIM300将事先编程好的报警内容发送到户主手机上实现无线报警功能。

发送短信时，首先要对串口进行初始化 ，设定将要发送短信的编码方式，短信收发系统软件将短信息中心地址、发送的目的地址、短信信息按照PDU数据格式编码实现 ，发送AT指令给SIM300模块，实现信息的发送，最终将信息以中文形式发送到户主手机上。同时，户主可以发送短信给SIM300模块，然后通过单片机控制家庭设备，比如开窗、关闭家用电器等，从而实现了人机的远程交互。发送、接受信息的具体流程如图3和图4所示。

5 设计系统的特点

物联网是基于互联网和信息传输的一个新技术，通过信息传感设备，将物体与人类社会连接起来，从而实现物物信息交流。过去几年，智能家居在中国乃至世界得到迅猛发展。短短几年，市场上涌现出的种类繁多的智能家居监控产品，其主要发展趋势为网络化、智能化、集成一体化、成本低廉化。本文以实际工作需要为目的，以科研项目为背景，更多地从实际应用的角度，研究设计了室内物联网监控系统。该系统主要有以下特点:

基于物联网技术和GSM/GPRS无线通讯网络的智能家居监控系统，该系统选用单片机主控单元、报警信号输入和设备控制等单元，系统采用C8051F040单片机负责精确采集报警信号、控制被控设备的工作状态，并负责控制SIM300模块实时收发短信息。

图3 短信发送流程

图4 短信接收、处理流程

该系统最为突出的是:根据系统的设计目标实现相应的硬件电路设计和网络构建后，并根据系统的功能要求，确定了单片机工作状态，编制了相应的单片机软件，包括主控单片机程序、各功能模块单片机程序两大部分。主控单片机程序主要完成短信息的接收、处理各功能模块程序，并接收主控模块的信息，执行相应的命令，并完成各既定的功能。

由于本系统选用单片机为主控单元并使用神经网络技术进行数据的处理，基于物联网技术的监控系统具有较强的实用性和先进性，经过改进和完善可推广到其它领域，具有较广阔的使用前景。

6 不足与展望

从实践应用的过程角度，现有的监控系统还无法实现精确定位，因为物联网技术还做不到。物联网体系中的新型传感器、无线传感器网络、RFID等技术以及统一的标准能够很好的解决现有监控系统中所存在的问题，但如何将这些技术应用于工业监控和其他生产领域，还需要深入的研究和实践。

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［责任编辑:白文江］