本發(fā)明涉及企業(yè)生產(chǎn)安全監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于6LoWPAN協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)中的不斷深入，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)廣泛被應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)安全監(jiān)控領(lǐng)域，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的企業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控方案越來越多，大部分的解決方案都是采用C/S模式，不易擴展，且客戶端必須要安裝專用的客戶端軟件，維護和升級成本高，一旦對系統(tǒng)進行修改或升級，每臺客戶機需要重新安裝升級。有些雖然使用B/S模式，但是考慮到物聯(lián)網(wǎng)中大多設(shè)備都是具有低成本、輕量級等特點的受限設(shè)備，對于這些受限設(shè)備而言，HTTP協(xié)議過于復(fù)雜，且開銷過大。除此之外，目前大部分的監(jiān)控系統(tǒng)采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信，Zigbee網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離受到一定的限制，且目前為止對Zigbee網(wǎng)絡(luò)沒有制定統(tǒng)一的標準，不適用于在現(xiàn)有系統(tǒng)上擴展其他應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種基于6LoWPAN協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到：

一種基于6LoWPAN協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括位于監(jiān)控中心的環(huán)境參數(shù)采集單元、若干嵌入式網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控服務(wù)器和若干終端設(shè)備，

其中，所述環(huán)境參數(shù)采集單元包括多個采集終端模塊，每個采集終端模塊包含至少一個的傳感器和視頻監(jiān)控設(shè)備，所述傳感器和所述視頻監(jiān)控設(shè)備獲取監(jiān)控區(qū)域的參數(shù)和圖像；

所述嵌入式網(wǎng)關(guān)，包括GPRS傳送模塊、6LoWPAN協(xié)調(diào)器和壓縮處理模塊，所述6LoWPAN協(xié)調(diào)器首先自動為各傳感器分配IPv6地址，并匯聚所述采集終端模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)和圖片，所述壓縮處理模塊對接收的數(shù)據(jù)和圖片進行壓縮處理后發(fā)送至所述GPRS傳送模塊，所述GPRS傳送模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控服務(wù)器；

所述監(jiān)控服務(wù)器，對接收的數(shù)據(jù)包進行解碼處理、分析、存儲，判斷數(shù)據(jù)大于危險預(yù)設(shè)值時發(fā)出預(yù)警信號，通知所述嵌入式網(wǎng)關(guān)向所述終端設(shè)備發(fā)送預(yù)警短信。

進一步地，所述壓縮處理模塊對接收的數(shù)據(jù)和圖片采用libjpeg庫進行壓縮處理，其中，所述libjpeg庫是用于jpeg圖片格式解壓和壓縮的庫。

進一步地，所述環(huán)境參數(shù)采集單元采用6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行通信。

進一步地，所述環(huán)境參數(shù)采集單元通過CoAP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。

進一步地，所述傳感器采用數(shù)字傳感器，根據(jù)需求設(shè)置為溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、液化石油氣傳感器、CO濃度傳感器、NH4濃度傳感器、醛酮醇類氣體傳感器和/或CO2傳感器。

進一步地，所述傳感器上運行CoAP Client，所述CoAP Client使用CoAP協(xié)議將傳感器對象抽象為資源，每個資源對應(yīng)一個唯一的資源標識符，所述資源標識符包括：傳感器型號、傳感器類型、傳感器數(shù)據(jù)和傳感器狀態(tài)，通過GET、POST、PUT、DELETE方法來對資源標識符進行相應(yīng)的操作。

進一步地，所述視頻監(jiān)控設(shè)備采用帶有OV511芯片的網(wǎng)眼V2000視頻攝像頭，其通過USB接口與所述嵌入式網(wǎng)關(guān)連接，所述嵌入式網(wǎng)關(guān)使用Video4Linux2編程框架調(diào)節(jié)USB攝像頭進行圖像的捕捉。

進一步地，所述環(huán)境參數(shù)采集單元上傳至所述6LoWPAN協(xié)調(diào)器的CoAP協(xié)議數(shù)據(jù)的負載Payload包括：傳感器型號、傳感器數(shù)據(jù)、采集時間。

進一步地，所述GPRS傳送模塊采用UDP協(xié)議進行通信，并在應(yīng)用層上對UDP協(xié)議報文頭進行重定義，實現(xiàn)丟包重發(fā)和錯序重排機制，保證UDP協(xié)議的可靠性。

進一步地，所述UDP協(xié)議報文頭包括：2個字節(jié)的數(shù)據(jù)包類型標識，2個字節(jié)的包序號，2個字節(jié)的數(shù)據(jù)包大小以及2個字節(jié)的片段偏移量，其中所述數(shù)據(jù)包類型標識用于指代該數(shù)據(jù)包為二進制文件類型或文本類型，所述包序號用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的順序信息，所述數(shù)據(jù)包大小用于檢測傳輸過程數(shù)據(jù)的丟失，所述片段偏移量是數(shù)據(jù)在傳輸時被分割成適應(yīng)傳輸?shù)钠?，當監(jiān)控服務(wù)器找到丟失的數(shù)據(jù)時，通過所述片段偏移量的編號向所述GPRS傳送模塊請求重傳。

本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，提供基于6LoWPAN協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點及效果：

(1)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便。傳感器直接通過ipv6網(wǎng)絡(luò)相互連接，可以任意擴展傳感器節(jié)點，只需6LoWPAN協(xié)調(diào)器自動給新加的節(jié)點分配IP地址，嵌入式網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控服務(wù)器通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信。環(huán)境參數(shù)采集單元采用CoAP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信，對數(shù)據(jù)進行資源抽象，企業(yè)工作人員只需利用CoAP協(xié)議中的資源發(fā)現(xiàn)功能便可獲取傳感器的信息，易于開發(fā)。

(2)本發(fā)明公開的監(jiān)測系統(tǒng)實時性高，數(shù)據(jù)傳輸準確，員工在異地只需要通過手機瀏覽網(wǎng)頁即可對多個監(jiān)測點進行實時監(jiān)測，除了實時監(jiān)測生產(chǎn)環(huán)境外，還可對歷史數(shù)據(jù)進行查看，同時安全性高，一旦企業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生危險，監(jiān)控系統(tǒng)立馬向企業(yè)員工發(fā)送短信通知。

(3)本發(fā)明為企業(yè)提供了一種高實時性和準確性的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)，能夠大大提高企業(yè)生產(chǎn)管理效率，具有非常好的實用性和科學參考價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明公開的基于6LoWPAN協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是所述監(jiān)控系統(tǒng)中視頻監(jiān)控設(shè)備的圖像采集處理流程圖；

圖3是所述監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖；

圖4是所述監(jiān)控系統(tǒng)中CoAP協(xié)議改進后的消息格式圖；

圖5是所述監(jiān)控系統(tǒng)中可靠傳輸協(xié)議的協(xié)議頭結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例

如圖1所示，基于6LoWPAN協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)，主要包含四個部分：

位于監(jiān)控中心的環(huán)境參數(shù)采集單元，包括多個采集終端模塊，每個采集終端模塊又包含至少一個的傳感器、視頻監(jiān)控設(shè)備，所述傳感器和所述視頻監(jiān)控設(shè)備獲取監(jiān)控區(qū)域的參數(shù)和圖像；

其中，所述環(huán)境參數(shù)采集單元支持采集終端模塊的數(shù)量擴展。

嵌入式網(wǎng)關(guān)，包括GPRS傳送模塊、6LoWPAN協(xié)調(diào)器和壓縮處理模塊，所述6LoWPAN協(xié)調(diào)器上運行6LoWPAN協(xié)議，為各傳感器自動分配IPv6地址，匯聚傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，所述壓縮處理模塊對數(shù)據(jù)和圖片采用libjpeg庫進行壓縮后再由所述GPRS傳送模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給所述監(jiān)控服務(wù)器；

其中，libjpeg庫是專門用于jpeg圖片格式解壓和壓縮的庫。

監(jiān)控服務(wù)器，用于將接收的數(shù)據(jù)進行處理、分析、存儲，通過所述嵌入式網(wǎng)關(guān)向所述終端設(shè)備及時發(fā)出反饋預(yù)警通知。

終端設(shè)備，包括手機、平板電腦和掌上上網(wǎng)設(shè)備、多媒體設(shè)備、流媒體設(shè)備、移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(MID，mobile internet device)、可穿戴設(shè)備或其他類型的智能終端設(shè)備，用于web瀏覽器查看監(jiān)控區(qū)域情況，同時用于接收預(yù)警短信通知。

在本實施例中，環(huán)境參數(shù)采集單元，采用6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行通信，通過CoAP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。

在本實施例中，傳感器采用的是數(shù)字傳感器，數(shù)字傳感器與傳統(tǒng)模擬傳感器相比，在能耗和體積方面具備很大優(yōu)勢，可以提高測量精度和范圍。

傳感器根據(jù)需求設(shè)置為溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、液化石油氣傳感器、CO濃度傳感器、NH4濃度傳感器、醛酮醇類氣體傳感器、CO2傳感器。

每個傳感器上運行CoAP Client，CoAP Client使用CoAP協(xié)議將傳感器對象抽象為資源，每個資源對應(yīng)一個唯一的資源標識符(Universal Resource Identifier，URI)，傳感器數(shù)據(jù)被定義為一個傳感器結(jié)構(gòu)，包括傳感器型號(ID)、傳感器類型(Type)、傳感器數(shù)據(jù)(Value)、傳感器狀態(tài)(Status)，通過GET、POST、PUT、DELETE等方法來對資源進行相應(yīng)的操作。

視頻監(jiān)控設(shè)備采用的帶有OV511芯片的網(wǎng)眼V2000視頻攝像頭，其通過USB接口與嵌入式網(wǎng)關(guān)連接，嵌入式網(wǎng)關(guān)使用Video4Linux2編程框架調(diào)節(jié)USB攝像頭進行圖像的捕捉，由于Linux系統(tǒng)自帶了OV511的驅(qū)動程序，因此無需另外安裝驅(qū)動，只需要在編譯內(nèi)核時將Video4Linux2模塊和OV511驅(qū)動模塊加載進去，然后設(shè)置相應(yīng)的視頻格式，在視頻流中提取圖像幀，形成圖像進行圖像采集，其處理流程如圖2所示。

對于嵌入式網(wǎng)關(guān)，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，ARM核心選用的是基于三星S3C6410芯片，具備豐富的接口資源，且具有低功耗、高性價比、高性能的特性，非常適用于安全監(jiān)控等領(lǐng)域。本系統(tǒng)中的6LoWPAN子網(wǎng)運行在2.4G的無線工作頻率，因此嵌入式網(wǎng)關(guān)通過UART接口接入2.4G無線模塊，為采集終端模塊的各傳感器自動分配IPv6地址。無線模塊作為6LoWPAN協(xié)調(diào)器，其上運行著CoAP Server程序，傳輸層采用UDP協(xié)議，應(yīng)用層采用CoAP協(xié)議，CoAP協(xié)議采用了雙層結(jié)構(gòu)的設(shè)計，定義了帶有重傳的事務(wù)處理機制，彌補了UDP的不可靠傳輸。

傳感器采集節(jié)點每隔5秒鐘向6LoWPAN協(xié)調(diào)器上傳一條采集信息數(shù)據(jù)，上傳的請求消息均以JSON/XML格式進行封裝，傳感器采集節(jié)點首先對采集數(shù)據(jù)進行JSON/XML格式序列化封裝，將封裝后的數(shù)據(jù)進行字節(jié)流序列化。CoAP請求格式為：POST coap://[<ip_address>]:<port>/resource，其中ip_address為6LoWPAN協(xié)調(diào)器的IPv6地址，resource是傳感器節(jié)點請求協(xié)調(diào)器附在請求后面的采集數(shù)據(jù)，包括傳感器型號(ID)、傳感器類型(Type)、傳感器數(shù)據(jù)(Value)、傳感器狀態(tài)(Status)。

在進一步的實施過程中，由于采集數(shù)據(jù)經(jīng)過JSON/XML格式序列化，當數(shù)據(jù)通過CoAP協(xié)議上傳至6LoWPAN協(xié)調(diào)器時，6LoWPAN協(xié)調(diào)器需要依次對CoAP消息的負載Payload進行字節(jié)流的反序列化和JSON/XML格式的解析，這個過程會增加傳感器和協(xié)調(diào)器的資源消耗。因此對CoAP消息格式進行了優(yōu)化，改進后的CoAP消息格式如圖4所示，CoAP消息的負載Payload被拆分為傳感器主要采集數(shù)據(jù)傳感器型號(ID)、傳感器數(shù)據(jù)(Value)、采集時間(Date)，傳感器采集節(jié)點在向協(xié)調(diào)器上傳數(shù)據(jù)時，只需直接對數(shù)據(jù)進行字節(jié)流序列化而廢棄了原始的CoAP消息中對數(shù)據(jù)進行JSON/XML格式的序列化封裝過程，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后，只要對數(shù)據(jù)進行字節(jié)流的反序列化，降低了傳感器和協(xié)調(diào)器上資源的消耗，延長設(shè)備的生命周期。

對于嵌入式網(wǎng)關(guān)中的GPRS傳送模塊，本系統(tǒng)中使用的是SIM900A，該模塊具有USB接口、SIM插槽和標準的AT命令接口，可以提供GSM語音、短消息等業(yè)務(wù)，GPRS傳送模塊通過USB接口與嵌入式網(wǎng)關(guān)連接。采集數(shù)據(jù)通過串口通信傳輸至嵌入式網(wǎng)關(guān)，嵌入式網(wǎng)關(guān)首先判斷是否是標準的IPv6格式報文，不是則丟棄，如果是，再根據(jù)GPRS Modem形成PPP0網(wǎng)口將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控服務(wù)器。當監(jiān)控服務(wù)器檢測出采集數(shù)據(jù)超出危險閾值或識別出火災(zāi)圖像時，通知嵌入式網(wǎng)關(guān)利用AT命令控制GPRS傳送模塊向終端設(shè)備發(fā)送預(yù)警短信。

對于嵌入式網(wǎng)關(guān)中的GPRS傳送模塊，采用UDP協(xié)議進行通信，UDP協(xié)議不需要建立連接，只需要知道對方的IP地址和端口，就可以利用Socket進行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，因此UDP協(xié)議具備占用資源少，響應(yīng)速度快和低延時的優(yōu)勢，適用于本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的實時傳輸，但由于UDP協(xié)議的不可靠性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包易丟失和亂序，因此本系統(tǒng)通過在應(yīng)用層上對UDP報文頭進行重定義，實現(xiàn)丟包重發(fā)和錯序重排機制，保證UDP協(xié)議的可靠性。本系統(tǒng)自定義了8個字節(jié)的協(xié)議報文頭，如圖5所示，頭部包括2個字節(jié)的數(shù)據(jù)包類型標識，2個字節(jié)的包序號，2個字節(jié)的數(shù)據(jù)包大小以及2個字節(jié)的片段偏移量。其中類型標識指該數(shù)據(jù)包為二進制文件類型或文本類型，包序號用于數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的順序信息，數(shù)據(jù)包大小用于檢測傳輸過程數(shù)據(jù)的丟失，片段偏移量是數(shù)據(jù)在傳輸時被分割成適應(yīng)傳輸?shù)钠?，當監(jiān)控服務(wù)器找到丟失的數(shù)據(jù)時，通過片段偏移量編號向GPRS傳送模塊請求重傳。

在進一步實施過程中，傳感器采集的數(shù)據(jù)為文本類型，視頻監(jiān)控設(shè)備采集的圖像文件為二進制文件類型，二者采用的傳輸方式存在一定的區(qū)別。如果嵌入式網(wǎng)關(guān)接收的數(shù)據(jù)為傳感器采集的數(shù)據(jù)，首先判斷數(shù)據(jù)是否超出危險閾值，若未超過閾值，將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS傳送模塊，通過原UDP協(xié)議發(fā)送至監(jiān)控服務(wù)器，若超出閾值，則通過改進后的UDP協(xié)議進行傳輸；如果嵌入式網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)為視頻監(jiān)控設(shè)備采集的圖像文件，首先對圖像進行壓縮編碼為二進制文件類型，編碼后的二進制文件通過改進后的UDP協(xié)議進行傳輸，以實現(xiàn)圖片的可靠傳輸。由于傳感器數(shù)據(jù)會定期向嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，只有當環(huán)境參數(shù)被檢測出危險值時，才需要進行數(shù)據(jù)的重傳。

綜上所述，本實施例公開的基于6LoWPAN協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)，包括位于監(jiān)控中心的環(huán)境參數(shù)采集單元、嵌入式網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控服務(wù)器和終端設(shè)備，環(huán)境參數(shù)采集單元包含多個采集終端模塊，每個采集終端模塊又由多個傳感器和視頻監(jiān)控設(shè)備組成，采集單元負責完成監(jiān)控區(qū)域環(huán)境參數(shù)以及圖片的采集和傳輸；嵌入式網(wǎng)關(guān)，包括GPRS傳送模塊、6LoWPAN協(xié)調(diào)器和壓縮處理模塊，6LoWPAN協(xié)調(diào)器首先自動為各傳感器分配IPv6地址，并匯聚采集終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)和圖片，壓縮處理模塊對接收的數(shù)據(jù)和圖片進行壓縮處理后發(fā)送至GPRS傳送模塊，GPRS傳送模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控服務(wù)器；監(jiān)控服務(wù)器，對接收的數(shù)據(jù)包進行解碼處理、分析、存儲，判斷數(shù)據(jù)大于危險預(yù)設(shè)值時發(fā)出預(yù)警信號，通知嵌入式網(wǎng)關(guān)向終端設(shè)備發(fā)送預(yù)警短信。該基于6LoWPAN協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)，綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進行全方位的動態(tài)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，監(jiān)控客戶端只需通過瀏覽Web瀏覽器即可對生產(chǎn)環(huán)境了如指掌，減少企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場危險事故的發(fā)生，能夠提高企業(yè)生產(chǎn)安全管理效率，具有非常好的實用性和科學參考價值。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。