基于6LoWPAN协议的物联网环境实时监测系统的制作方法

本发明涉及企业生产安全监控技术领域，具体涉及一种基于6LoWPAN协议的物联网环境实时监测系统。

背景技术：

近年来，随着物联网技术在企业生产中的不断深入，物联网已经广泛被应用于企业生产安全监控领域，基于物联网技术的企业生产监控方案越来越多，大部分的解决方案都是采用C/S模式，不易扩展，且客户端必须要安装专用的客户端软件，维护和升级成本高，一旦对系统进行修改或升级，每台客户机需要重新安装升级。有些虽然使用B/S模式，但是考虑到物联网中大多设备都是具有低成本、轻量级等特点的受限设备，对于这些受限设备而言，HTTP协议过于复杂，且开销过大。除此之外，目前大部分的监控系统采用Zigbee网络进行数据通信，Zigbee网络的传输距离受到一定的限制，且目前为止对Zigbee网络没有制定统一的标准，不适用于在现有系统上扩展其他应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于6LoWPAN协议的物联网环境实时监测系统。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于6LoWPAN协议的物联网环境实时监测系统，包括位于监控中心的环境参数采集单元、若干嵌入式网关、监控服务器和若干终端设备，

其中，所述环境参数采集单元包括多个采集终端模块，每个采集终端模块包含至少一个的传感器和视频监控设备，所述传感器和所述视频监控设备获取监控区域的参数和图像；

所述嵌入式网关，包括GPRS传送模块、6LoWPAN协调器和压缩处理模块，所述6LoWPAN协调器首先自动为各传感器分配IPv6地址，并汇聚所述采集终端模块发送来的数据和图片，所述压缩处理模块对接收的数据和图片进行压缩处理后发送至所述GPRS传送模块，所述GPRS传送模块通过GPRS网络发送给监控服务器；

所述监控服务器，对接收的数据包进行解码处理、分析、存储，判断数据大于危险预设值时发出预警信号，通知所述嵌入式网关向所述终端设备发送预警短信。

进一步地，所述压缩处理模块对接收的数据和图片采用libjpeg库进行压缩处理，其中，所述libjpeg库是用于jpeg图片格式解压和压缩的库。

进一步地，所述环境参数采集单元采用6LoWPAN无线传感网络进行通信。

进一步地，所述环境参数采集单元通过CoAP协议进行数据通信。

进一步地，所述传感器采用数字传感器，根据需求设置为温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、液化石油气传感器、CO浓度传感器、NH4浓度传感器、醛酮醇类气体传感器和/或CO2传感器。

进一步地，所述传感器上运行CoAP Client，所述CoAP Client使用CoAP协议将传感器对象抽象为资源，每个资源对应一个唯一的资源标识符，所述资源标识符包括：传感器型号、传感器类型、传感器数据和传感器状态，通过GET、POST、PUT、DELETE方法来对资源标识符进行相应的操作。

进一步地，所述视频监控设备采用带有OV511芯片的网眼V2000视频摄像头，其通过USB接口与所述嵌入式网关连接，所述嵌入式网关使用Video4Linux2编程框架调节USB摄像头进行图像的捕捉。

进一步地，所述环境参数采集单元上传至所述6LoWPAN协调器的CoAP协议数据的负载Payload包括：传感器型号、传感器数据、采集时间。

进一步地，所述GPRS传送模块采用UDP协议进行通信，并在应用层上对UDP协议报文头进行重定义，实现丢包重发和错序重排机制，保证UDP协议的可靠性。

进一步地，所述UDP协议报文头包括：2个字节的数据包类型标识，2个字节的包序号，2个字节的数据包大小以及2个字节的片段偏移量，其中所述数据包类型标识用于指代该数据包为二进制文件类型或文本类型，所述包序号用于数据发送和接收的顺序信息，所述数据包大小用于检测传输过程数据的丢失，所述片段偏移量是数据在传输时被分割成适应传输的片段，当监控服务器找到丢失的数据时，通过所述片段偏移量的编号向所述GPRS传送模块请求重传。

本发明克服现有技术的缺点和不足，提供基于6LoWPAN协议的物联网环境实时监控系统，与现有技术相比，本发明具有如下的优点及效果：

(1)本发明结构简单，组装方便。传感器直接通过ipv6网络相互连接，可以任意扩展传感器节点，只需6LoWPAN协调器自动给新加的节点分配IP地址，嵌入式网关与监控服务器通过GPRS网络进行数据通信。环境参数采集单元采用CoAP协议进行数据通信，对数据进行资源抽象，企业工作人员只需利用CoAP协议中的资源发现功能便可获取传感器的信息，易于开发。

(2)本发明公开的监测系统实时性高，数据传输准确，员工在异地只需要通过手机浏览网页即可对多个监测点进行实时监测，除了实时监测生产环境外，还可对历史数据进行查看，同时安全性高，一旦企业生产过程中产生危险，监控系统立马向企业员工发送短信通知。

(3)本发明为企业提供了一种高实时性和准确性的物联网环境实时监测系统，能够大大提高企业生产管理效率，具有非常好的实用性和科学参考价值。

附图说明

图1是本发明公开的基于6LoWPAN协议的物联网环境实时监控系统的结构示意图；

图2是所述监控系统中视频监控设备的图像采集处理流程图；

图3是所述监控系统中嵌入式网关硬件结构图；

图4是所述监控系统中CoAP协议改进后的消息格式图；

图5是所述监控系统中可靠传输协议的协议头结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，基于6LoWPAN协议的物联网环境实时监控系统，主要包含四个部分：

位于监控中心的环境参数采集单元，包括多个采集终端模块，每个采集终端模块又包含至少一个的传感器、视频监控设备，所述传感器和所述视频监控设备获取监控区域的参数和图像；

其中，所述环境参数采集单元支持采集终端模块的数量扩展。

嵌入式网关，包括GPRS传送模块、6LoWPAN协调器和压缩处理模块，所述6LoWPAN协调器上运行6LoWPAN协议，为各传感器自动分配IPv6地址，汇聚传感器发送的数据，所述压缩处理模块对数据和图片采用libjpeg库进行压缩后再由所述GPRS传送模块通过GPRS网络发送给所述监控服务器；

其中，libjpeg库是专门用于jpeg图片格式解压和压缩的库。

监控服务器，用于将接收的数据进行处理、分析、存储，通过所述嵌入式网关向所述终端设备及时发出反馈预警通知。

终端设备，包括手机、平板电脑和掌上上网设备、多媒体设备、流媒体设备、移动互联网设备(MID，mobile internet device)、可穿戴设备或其他类型的智能终端设备，用于web浏览器查看监控区域情况，同时用于接收预警短信通知。

在本实施例中，环境参数采集单元，采用6LoWPAN无线传感网络进行通信，通过CoAP协议进行数据通信。

在本实施例中，传感器采用的是数字传感器，数字传感器与传统模拟传感器相比，在能耗和体积方面具备很大优势，可以提高测量精度和范围。

传感器根据需求设置为温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、液化石油气传感器、CO浓度传感器、NH4浓度传感器、醛酮醇类气体传感器、CO2传感器。

每个传感器上运行CoAP Client，CoAP Client使用CoAP协议将传感器对象抽象为资源，每个资源对应一个唯一的资源标识符(Universal Resource Identifier，URI)，传感器数据被定义为一个传感器结构，包括传感器型号(ID)、传感器类型(Type)、传感器数据(Value)、传感器状态(Status)，通过GET、POST、PUT、DELETE等方法来对资源进行相应的操作。

视频监控设备采用的带有OV511芯片的网眼V2000视频摄像头，其通过USB接口与嵌入式网关连接，嵌入式网关使用Video4Linux2编程框架调节USB摄像头进行图像的捕捉，由于Linux系统自带了OV511的驱动程序，因此无需另外安装驱动，只需要在编译内核时将Video4Linux2模块和OV511驱动模块加载进去，然后设置相应的视频格式，在视频流中提取图像帧，形成图像进行图像采集，其处理流程如图2所示。

对于嵌入式网关，硬件结构如图3所示，ARM核心选用的是基于三星S3C6410芯片，具备丰富的接口资源，且具有低功耗、高性价比、高性能的特性，非常适用于安全监控等领域。本系统中的6LoWPAN子网运行在2.4G的无线工作频率，因此嵌入式网关通过UART接口接入2.4G无线模块，为采集终端模块的各传感器自动分配IPv6地址。无线模块作为6LoWPAN协调器，其上运行着CoAP Server程序，传输层采用UDP协议，应用层采用CoAP协议，CoAP协议采用了双层结构的设计，定义了带有重传的事务处理机制，弥补了UDP的不可靠传输。

传感器采集节点每隔5秒钟向6LoWPAN协调器上传一条采集信息数据，上传的请求消息均以JSON/XML格式进行封装，传感器采集节点首先对采集数据进行JSON/XML格式序列化封装，将封装后的数据进行字节流序列化。CoAP请求格式为：POST coap://[<ip_address>]:<port>/resource，其中ip_address为6LoWPAN协调器的IPv6地址，resource是传感器节点请求协调器附在请求后面的采集数据，包括传感器型号(ID)、传感器类型(Type)、传感器数据(Value)、传感器状态(Status)。

在进一步的实施过程中，由于采集数据经过JSON/XML格式序列化，当数据通过CoAP协议上传至6LoWPAN协调器时，6LoWPAN协调器需要依次对CoAP消息的负载Payload进行字节流的反序列化和JSON/XML格式的解析，这个过程会增加传感器和协调器的资源消耗。因此对CoAP消息格式进行了优化，改进后的CoAP消息格式如图4所示，CoAP消息的负载Payload被拆分为传感器主要采集数据传感器型号(ID)、传感器数据(Value)、采集时间(Date)，传感器采集节点在向协调器上传数据时，只需直接对数据进行字节流序列化而废弃了原始的CoAP消息中对数据进行JSON/XML格式的序列化封装过程，协调器接收到数据后，只要对数据进行字节流的反序列化，降低了传感器和协调器上资源的消耗，延长设备的生命周期。

对于嵌入式网关中的GPRS传送模块，本系统中使用的是SIM900A，该模块具有USB接口、SIM插槽和标准的AT命令接口，可以提供GSM语音、短消息等业务，GPRS传送模块通过USB接口与嵌入式网关连接。采集数据通过串口通信传输至嵌入式网关，嵌入式网关首先判断是否是标准的IPv6格式报文，不是则丢弃，如果是，再根据GPRS Modem形成PPP0网口将采集数据发送到GPRS网络，再通过GPRS网络发送至监控服务器。当监控服务器检测出采集数据超出危险阈值或识别出火灾图像时，通知嵌入式网关利用AT命令控制GPRS传送模块向终端设备发送预警短信。

对于嵌入式网关中的GPRS传送模块，采用UDP协议进行通信，UDP协议不需要建立连接，只需要知道对方的IP地址和端口，就可以利用Socket进行数据发送和接收，因此UDP协议具备占用资源少，响应速度快和低延时的优势，适用于本系统中数据的实时传输，但由于UDP协议的不可靠性，导致数据包易丢失和乱序，因此本系统通过在应用层上对UDP报文头进行重定义，实现丢包重发和错序重排机制，保证UDP协议的可靠性。本系统自定义了8个字节的协议报文头，如图5所示，头部包括2个字节的数据包类型标识，2个字节的包序号，2个字节的数据包大小以及2个字节的片段偏移量。其中类型标识指该数据包为二进制文件类型或文本类型，包序号用于数据发送和接收的顺序信息，数据包大小用于检测传输过程数据的丢失，片段偏移量是数据在传输时被分割成适应传输的片段，当监控服务器找到丢失的数据时，通过片段偏移量编号向GPRS传送模块请求重传。

在进一步实施过程中，传感器采集的数据为文本类型，视频监控设备采集的图像文件为二进制文件类型，二者采用的传输方式存在一定的区别。如果嵌入式网关接收的数据为传感器采集的数据，首先判断数据是否超出危险阈值，若未超过阈值，将数据发送到GPRS传送模块，通过原UDP协议发送至监控服务器，若超出阈值，则通过改进后的UDP协议进行传输；如果嵌入式网关接收数据为视频监控设备采集的图像文件，首先对图像进行压缩编码为二进制文件类型，编码后的二进制文件通过改进后的UDP协议进行传输，以实现图片的可靠传输。由于传感器数据会定期向嵌入式网关发送数据，只有当环境参数被检测出危险值时，才需要进行数据的重传。

综上所述，本实施例公开的基于6LoWPAN协议的物联网环境实时监控系统，包括位于监控中心的环境参数采集单元、嵌入式网关、监控服务器和终端设备，环境参数采集单元包含多个采集终端模块，每个采集终端模块又由多个传感器和视频监控设备组成，采集单元负责完成监控区域环境参数以及图片的采集和传输；嵌入式网关，包括GPRS传送模块、6LoWPAN协调器和压缩处理模块，6LoWPAN协调器首先自动为各传感器分配IPv6地址，并汇聚采集终端发送来的数据和图片，压缩处理模块对接收的数据和图片进行压缩处理后发送至GPRS传送模块，GPRS传送模块通过GPRS网络发送给监控服务器；监控服务器，对接收的数据包进行解码处理、分析、存储，判断数据大于危险预设值时发出预警信号，通知嵌入式网关向终端设备发送预警短信。该基于6LoWPAN协议的物联网环境实时监控系统，综合应用物联网技术，实现对企业生产环境进行全方位的动态联网监控，监控客户端只需通过浏览Web浏览器即可对生产环境了如指掌，减少企业生产现场危险事故的发生，能够提高企业生产安全管理效率，具有非常好的实用性和科学参考价值。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。