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2018 届国际传感技术会议
基于物联网技术的环境监测
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托马斯 · 库宁 |
肖恩 · 麦格拉思 |
Ciaran macname |
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电子与计算机系 |
电子与计算机系 |
电子与计算机系 |
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里尔大学 |
利默里克大学 |
利默里克大学 |
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法国里尔 |
爱尔兰利默里克 |
爱尔兰利默里克 |
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thomas.cunin@polytech-lille.net |
sean mcgrath@ul.ie |
ciaran macname@ul.ie |
摘要——环境监测是指使用传感器模块来监控外部环境。由于新型无线连接和低能耗传感器模块的可用性，有可能实现广泛的环境监测。本文描述的项目使用物联网技术与低能耗模块相结合，对环境进行监控，并在图表上显示数据，以查看给定位置的信息和历史数据。该项目包括环境数据 (污染、湿度、温度hellip;) 的记录以及在移动应用程序或网站上显示所述数据。特别强调用户界面和数据库设计。该项目是在利默里克大学实施的，所以本文指的是利默里克大学校园，但是也可以在任何地方实施。
- 简介
环境监测是指在外部环境中捕获许多不同的数据值。这些数据的获取和分级可以被认为是使用物联网技术 的 “大数据” 项目[1]。事实上，有了足够的外部参数数据，城市、大学甚至公司都可以改善人口或外部环境的健康 [2]。可以通过以下方式实施环境监测项目:
首先，可以创建一个历史来跟踪某些敏感数据 (如污染) 在几年中的演变; 接下来, 可以设置一些警报来警告记录的危险数据水平 (例如，可能导致晒伤的亮度水平，或者水中的有害污染水平)。为了显示这些信息，将使用移动应用程序和网站。两者向用户显示相同的信息。
图 1: 校园环境监测
论文的其余部分如下: 第二节介绍了项目的结构和组织方面。接下来是第三节，描述了所使用的传感器布置和无线接口，第四节介绍了开发的数据库和数据呈现技术以及获得的结果。第五节展示了如何使用扩展的地理范围和 3D 地图来扩展项目的范围，第六节总结了这篇论文。
二、 项目组织
该项目考虑了放置在大学校园周围的传感器模块将数据发送到数据库的场景。移动应用程序和网站接收数据并向用户显示。这个项目是一个更大的计划的一部分，允许学生开发物联网应用程序。完成项目需要开发人员使用软件开发、数据分析、硬件和嵌入式系统开发等多个学科的技能。这使得该项目适合作为一个教育项目平台。
三、传感器模块和无线接口
传感器模块
传感器必须防水，模块必须独立运行至少几年。事实上，目标是在项目结束时，在利默里克大学校园周围有多达 1,000 个传感器模块, 因此，传感器模块必须能够在最少的人为干预下独立运行，否则维护将十分困难，成本也太高。传感器模块将由不同的部分组成:
- 传感器: 收集数据
- 电池: 为了设备的独立性
- 微处理器: 获取数据并将信息发送到数据库
- 天线: 向数据库发送数据。
- GPS 模块: 知道设备在校园里的位置
- [可选] 太阳能电池板: 增加设备的寿命取决于环境。
为了节省电池电量，我们选择了低能耗微控制器，在这种情况下，选择了 Pycom FiPy 模块 [3], 虽然最终实现可能不会使用 FiPy 中使用的所有无线接口。大多数情况下，它处于睡眠模式，所以能耗很低。每小时一次，它会醒来，从传感器获取数据，并将数据与
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数据库的传感器。每小时一次数据扫描的速度是实时和低能耗之间的一个很好的折衷。表 1 显示了传感器模块的测量能耗。
表 1: 1 小时周期内随时间消耗的电流
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GPS |
洛拉 |
获取 |
发送 |
睡眠 |
总 |
|
|
连接 |
连接 |
数据 |
数据 |
模式 |
时间 |
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当前 |
90 |
40 |
40 |
100 |
0.02 |
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(马) |
||||||
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时间 |
30 多岁 |
10 s |
2 s |
0.1 s |
59m18s |
1hr1m |
总 (非睡眠) 时间: 0.8447x10-3小时
使用 2Ah 电池，这使得模块可以工作 98.65 天，随着 GPS 使用频率的降低，或者通过增加太阳能电池板，模块工作时间可能会增加。
无线接口技术
包括蓝牙低能耗、 WiFi 、 SigFox 、 LoRa 在内的许多解决方案都可以从设备向数据库发送数据。在比较了许多低功耗广域网技术的特点后，LoRa (作为 LoRaWAN) 因其低功耗、开放访问和低成本而被选中。例如，与 WiFi 相比，能源消耗极低，而其范围可以达到几公里 (与蓝牙低能耗相比，蓝牙低能耗的范围为 100米公里)。
LoRa 无线通信与终端设备和网关 [6] 一起工作，如图 2 所示。工作原理如下: 传感器设备 (命名为终端设备) 配有 LoRa 发射器。一个 LoRa 网关接收终端设备发送的消息。该网关通过以太网或 WiFi 连接到互联网，并将消息传输到云。
一个网关在几公里范围内就足够了，所以，对于校园中的大量终端设备，我们只需要一个网关。然而，对于 LoRa，我们必须实现我们自己的网关。对于我们的项目，我们选择了物联网 (TTN) 网关。当有人设置 TTN 网关时，他允许所有用户访问它[5]。例如，在 TTN 网站上，可以看到世界上所有的网关。这样做的目的是创建一个免费的开源网络。
图 2: 本项目 LoRa 作品代表图 [4]
消息从终端设备传输到 TTN 网关，然后网关将其发送到 TTN 云。之后，使用 Java 中的脚本发出 HTTP 请求，将数据从 TTN 云传输到数据库。图 3 显示了使用 LoRaWAN 和物联网将数据从传感器模块传输到数据库的过程。
图 3: 传感器到数据库的数据传输
可以使用 LoRa 网关确定终端设备的 GPS 位置，使用三边测量从至少三个 LoRaWAN 网关接收的时间戳信号中计算对象的位置。这些信号到达时间的差异被转换成网关和对象之间的距离，以确定其位置。然而，目前使用三边测量的精度仍然不是最佳的。所以我们更喜欢在传感器模块上使用 GPS 模块。
从能源使用的角度来看，也可以在传感器模块上实现太阳能电池板，使其完全自主。此选项将取决于传感器模块放置的位置。
最初的传感器项目只实现了 4 种类型的数据: 污染、温度、光度和湿度。如果对环境的其他数据类型感兴趣，或者用户希望看到更多数据类型，则可以向传感器模块添加额外的传感器。
四、数据库及数据展示、网站
数据库
在这个项目中，传感器模块获取数据，并将数据发送到云，以便转发到数据库，数据库以预定义的方式存储所有数据。必须组织这种存储，以便此后访问数据 [7] 所需的时间尽可能少。这个数据库也必须是有序的，这样它就可以很容易地接受新类型的数据，或者可以对其进行扩展。
该项目选择了 MySQL 数据库。这种选择的原因是在 MySQL 表中恢复过去数据的速度。此外，非常感谢有在不同的列上创建索引或进一步加快 MySQL 查询处理时间的可能性。数据表必须能够接收来自数千个传感器的数据，这些传感器将发送
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每小时平均数据帧。有几个月甚至几年的历史也是必要的。数据表很快就会数几百万行。如果不使用索引，就不可能有正确的响应时间。
网站和移动应用程序
该项目的最后一个领域是创建移动应用程序和网站。对于移动应用程序，我们已经创建了一个 Android 应用程序，因为超过 80% 的手机使用谷歌操作系统 [8]。无法在可用于实施项目的时间内开发 IoS 应用程序。创建混合应用程序所需的软件工具 (在 IoS 和 Android 上运行) 还不够强大 [9]。
该网站是使用 Java EE 和 IDE Eclipse [9] 创建的。这个选择的原因是 Java 的广泛使用，所以未来使用 Java EE 比 PHP 更容易修改网站。此外，整个网站都是使用 MVC 方法创建的，并有许多注释，同时考虑到易用性和未来的开发。移动应用程序和网站必须能够:
- 查看给定周长和参数内的数据值。
- 有特定传感器或区域的历史记录。
- 比较几个值。
- 如果其中一个数据库值处于用户确定的危险级别，则发出警报。
为了能够将网站放在互联网上，有必要将它放在服务器上。然后，有两种可能的解决方案是，要么使用大学服务器，要么通过亚马逊网络服务或谷歌应用引擎等云服务传递信息。选择了第二种解决方案。该网站将使用谷歌应用程序引擎激活。这种选择的主要原因是为了简单 (没有物理服务器来管理) 可靠性 (云确保网站始终可见) 成本 (对于低流量或中等流量的网站来说，云解决方案更便宜)。打开菜单网站如图 4 所示。
一旦用户选择了他/她想要看到的数据和日期，所有模块的数据就会显示在地图上。数据的值有三种不同的颜色: 如果数据值低，则为蓝色; 如果数据值中等，则为橙色; 如果数据值高，则为红色。见图 5。
如果用户点击地图上的一个矩形，他/她会在右边看到此时数据的值，以及这个矩形中传感器模块的数量。显示值是矩形中传感器模块读数的平均值。用户还可以看到带有数据值历史记录的图表 [11]。根据用户选择的内容，这段历史可以超过一天、一周甚至一个月。见图 6。
图 4: 网站菜单
图 5: 网站显示数据
最后，应用程序可以比较地图上不同点的不同数据值。所有这些都以相同的图形表示。根据用户的需求，也可以对最后一天、最后一周或最后一个月进行比较。最多可以比较 5 个不同的点。如果数据值超出了用户指定的安全值范围，那么当用户进入网站时，网站将显示警报。
图 6: 网站显示图形
五. 扩大项目
地理延伸
前面的章节讨论了利默里克大学的环境监测。
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但是这个项目并不局限于这个校园，你可以适当作出处理让这个项目更加便携。例如，在网站中，你只需要改变你想管理的网站的 GPS 坐标。整个网站被设计成可以与另一个位置一起使用。传感器模块不需要任何更改就可以在另一个环境中工作。它们可以被放置在一个新的环境中，GPS 绘图机会自动检测到环境已经改变并且会适应。
3D 地图
网站和移动应用程序显示地图。通过最近的创新，可以显示 3D 地图。该地图由 wrld.js 库 [12] 提供。2D 地图的一切可能也可以通过 3D 地图实现。3D 地图的设计信息更丰富。此外，在校园里更容易看到这个位置。唯一的缺点是加载时间稍微长一点。用户可以选择是使用标准 2D 地图还是 3D 地图。
图 7: 用 3D 地图代替 2D 地图的网站
六、结论
近年来，物联网发展迅速。现在可以在资源相对有限的情况下进行大型项目。通过结合新的计算机和电子技术，现在可以创建完全连接的环境。这个项目提供了应用这些技术的一个有用的例子，它的低成本意味着它可以很容易地复制。
七、参考文献
- IEEE Internet Initiative. lsquo;Towards a definition of the Internet of Things (IoT)rsquo;, Revision 1, 27 May
2015. Onlin
全文共6824字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[1126]
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