《物联网图文教程从入门到精通》07篇

高级提升篇01----系统组成及工作原理


注:文中提到的软件及程序源码,请到http://blog.eeecontrol.com/software/下载


1 系统组成及各部分简要功能描述

如图1-1所示,整个物联网平台共有四大部分组成,分别是本地硬件、远程服务器①、远程服务器②(易监控)和多类型客户端。下面简要介绍一下这四部分的功能及作用。

1-1 系统组成及工作原理

1.1本地硬件:实现数据采集及接收命令

注:在系统中"①智能网关硬件模拟器"和"②智能网关及传感器节点"只能运行一个。如果您没有购买三易电子的官方智能硬件,请选择使用"①智能网关硬件模拟器"。如果您购买了三易电子的官方智能硬件请选择使用"②智能网关及传感器节点"。

1、智能网关硬件模拟器 

位置:安装在本地电脑上

作用:用软件模拟"智能网关"开发板,方便没有购买开发板的小伙伴们快速体验物联网带来的乐趣。

特色:视频监控、屏幕监控

1-2 智能网关硬件模拟器---视频监控

1-3 智能网关硬件模拟器---屏幕监控

2、智能网关及传感器节点

位置:放置在本地用于监控的地方

作用:视频数据采集、语音数据采集、传感器数据采集、接收控制命令

(1)无线节点

无线节点有多类型传感器和无线模块组成,见图4。传感器插接在无线模块上组成无线节点。

1-4 无线模块与传感器

A 传感器

传感器共三种功能。

(1) 用于采集室内温湿度、煤气、光强信息、检测是否有盗贼潜入等动态信息;

(2)发送红外信号,控制带红外的家用电器;

(3)继电器开关,直接控制家用设备。

1-5 六种传感器

B 无线节点

无线节点是传感器与网关平台的中转站,有两种功能。

a、控制传感器采集数据,把采集的数据发送给网关平台;

b、接收网关平台的控制命令,控制传感器进行家电控制。

1-6 无线模块

(2)智能网关

联网智能网关(含摄像头模块和声音采集模块)是整个系统的硬件核心,共有六种功能。

a、两种联网功能(宽带和WIFI),通过TCP/IP协议,实现与网络服务器的数据交互;

b、控制液晶实现对采集的数据、被控设备状态、联网状态进行实时显示;

c、语音报警和语音提示功能;

d、采集声音数据发送至远程服务器;

e、采集摄像头视频数据发送至远程服务器;

f、通过NRF24L01无线方式与无线节点进行数据通讯。

1-7 智能网关

 

1.2远程服务器①

实现音频、视频数据处理;实现传感器数据和控制命令中转

3、音频、视频数据处理软件

位置:安装在本地电脑上或您自己的远程服务器上

作用:把从智能网关发来的音频、视频数据转换为音频和图片;

把从智能网关发来的传感器数据发送到易监控服务器;

接收易监控服务器发来的控制命令,转发到智能网关。

1-8 易监控音频视频数据处理软件

4、WampServer软件

位置:同"音频视频数据处理软件"

作用:接收"音频视频数据处理软件"发来的图片方便客户端访问

          接收"音频视频数据处理软件"发来的音频用于语音识别

1-9 WampServer软件

1.3远程服务器②

5、易监控  FREE

位置:三易电子官方服务器上

作用:负责传感器数据数据的中转、存储及与第三方云应用交互。共三种功能

1-10 易监控官方网站及官方微信号

a、数据中转功能。

1-11 数据中转功能示意图

c、数据存储

把相应的传感器数据及报警记录存储到数据库。

d、与第三方云应用交互

与微信服务器交互实现微信远程检测与控制;与云报警服务交互实现电话报警、短信报警和邮件报警。

1.4客户端

6、多类型客户端

位置:任何有网络的地方都可以

作用:远程监测、远程控制

种类:PC客户端、手机客户端、WEB网页客户端及微信公众号。

1-12 四种类型客户端

2 工作原理(包含音频视频传输)

整个物联网平台的远程监控功能可以概括为三类:普通传感器远程监控、远程视频监控、远程语音监控。下面章节对这三种功能的工作原理做一下详细介绍。

2.1 传感器数据采集及远程控制详细工作原理

无线节点上的单片机控制传感器模块采集传感器数据(例如室内温湿度、光强、触摸信号、人体红外热释电信号等信息),采集数据完毕后,通过NRF24L01以无线方式按照一定协议发送到"智能网关"。"智能网关"收到传感器数据之后对此信息进行处理后进行显示并通过网络(宽带或WIFI)按照一定协议发送至远程服务器①。远程服务器①把数据处理后转发到远程服务器②(易监控)。服务器②(易监控)收到传感器信息后对数据进行处理并存储。当远程客户端需要查看本地的传感器数据信息时,可通过TCP/IP协议连接至服务器②(易监控),从服务器②(易监控)获取相关的传感器信息。

同时"智能网关"会对收到的数据进行判断,如果数据高于或低于设定的阈值,网关平台会控制语音模块进行语音报警,同时远程服务器②(易监控)会调用云报警系统进行电话报警、短信报警、邮件报警。报警的阈值可以通过客户端进行远程设置。

远程检测终端(如PC客户端、Web客户端、手机客户端、微信客户端)如果需要进行远程检测,它们只需要从远程服务器取回智能网关发送到服务器的数据即可;如果要进行控制,就把控制命令发送到远程服务器②(易监控),易监控收到控制命令后把命令转发到远程服务器①,远程服务器①把控制命令转发到本地的"智能网关","智能网关"通过无线方式把命令发送到无线节点,实现对家用电器的控制

总结一下上面说的,其实就是两条,远程检测和远程控制。

A 远程检测(数据采集)

智能网关接收无线节点(传感器)、摄像头、麦克风发来的数据发送到服务器,客户端从服务器获取传感器数据、音频数据、视频数据;

B 远程控制(命令控制)

客户端发送控制命令到服务器,服务器把命令发送到联网的智能网关,智能网关把命令发送到无线节点,无线节点根据收到的命令控制相应的家用电器。

2.2 视频监控详细工作原理

OV2640摄像头插接到"智能网关"开发板上,"智能网关"通过控制OV2640摄像头采集视频数据,OV2640摄像头介绍详见:"物联网教程资料\教程\④其他模块说明书\①OV2640摄像头模块\OV2640摄像头模块说明书"。

当"智能网关"上的单片机收到来自OV2640摄像头的" 帧中断"信号时,单片机按照OV2640的帧时序获取一帧图像数据,单片机把采集的一帧数据存储到FIFO存储器,每获取一行图像数据存储一次,分多次把一帧图像数据存储起来。一帧数据获取并存储完毕后,单片机通过W5100网络芯片多次分包把这一帧数据发送到远程服务器①的"易监控音频、视频数据处理软件"。"易监控音频、视频数据处理软件"收到图像数据后,会根据包头和包尾的标志,把这多包数据转换为一张JPEG格式的图片。上述步骤完成后,单片机等待下一个''帧中断''的到来,收到帧中断后开始下一帧数据的采集。

"易监控音频、视频数据处理软件"得到一张完整的JPG图片后,把图片发送到WampServer软件,方便客户端远程访问。智能网关对视频的传输协议详见2.2节。OV2640摄像头介绍及"智能网关"详细采集视频图像的过程见《OV2640摄像头使用说明书》。

2.3 语音监控详细工作原理

"智能网关"开发板上的咪头会感知周围环境的声音,产生微小的压差,微小电压电压经放大电路放大后连接到单片机的A/D采集接口上。单片机每隔250us用8位A/D采集一次音频电压,每秒钟产生4KB音频数据,即音频采样率为4KHZ,比特率为4KBps(普通家用电话的比特率为8KBps),相比之下我们的音频监控的音质还是非常不错的。

"智能网关"每隔250ms(采集到1KB数据后)通过网口按照一定协议把数据发送到"易监控音频、视频数据处理软件"。"易监控音频、视频数据处理软件"收到音频数据后,一方面把音频数据转发到已连接的客户端,另一方面进行语音识别。"易监控音频、视频数据处理软件"对音频的详细处理方式以及"智能网关"对音频的传输协议详见本章的3.1.2和3.1.3节。

3 工作流程

3.1 远程检测(数据采集)工作流程

3.1.1 无线传感器节点à智能网关

由于无线模块采用锂电池供电,为了提高无线模块的运行时间,在发送数据和接收数据上采用了一定的处理技巧。

发数模式:无线模块和其上的NRF24L01平常处于低功耗模式,当检测或采集到传感器数据时,单片机控制NRF24L01为发送模式,把数据发送给智能网关。数据发送完毕后,无线节点和其上的NRF24L01会转换为低功耗模式。智能网关上的NRF24L01一直处于接受模式,当收到无线节点发来的数据时,会产生中断,智能网关在中断函数内处理收到的传感器数据。

取数模式:无线模块和其上的NRF24L01平常处于低功耗模式,每间隔一段时间(500ms)单片机控制NRF24L01为发送模式,发送命令告诉智能网关你可以发送数据给我了,我等你9ms。无线节点发送完数据后,会转换为接收模式并等待9ms,9ms之后转换为低功耗模式,进行下一个循环。智能网关收到取数命令后,如果有要发送的数据,就把数据发送给无线节点,如果没有要发送的数据,不进行处理。

3-1 无线节点发送数据通讯协议示意图

3.1.2 智能网关à远程服务器

智能网关开发板发送到"远程服务器①"的数据共有3种:视频数据、音频数据、传感器数据。所有数据均有"远程服务器①"中的"音频视频数据处理软件"接收。智能网关与"音频视频数据处理软件"的通讯协议如下所示:

3-2 智能网关与"音频视频数据处理软件"的通讯协议

A:视频数据通讯协议

智能网关采集到一帧图像数据之后,开始通过网口把这一帧图像数据发送到远程服务器①的"易监控音频、视频数据处理软件",通讯协议如下图所示,发送完毕后开始采集下一帧数据,重复上述步骤。

3-3 视频数据通讯协议示意图

注:

1、发送标志为:"/OVXS "à注意后面有个空格à "/OVXS"+" "

2、发送数量=发送标志+发送内容,发送数量的单位为字节,一个中文占两个字节。

3、发送数量及发送标志字节长度固定,发送数量字节长度:3  发送标志字节长度:5

4、发送数量为"发送标志"与"发送内容"长度之和。

B:音频数据通讯协议

"智能网关"每隔250us 通过A/D采集一次音频数据。"智能网关"每隔250ms(采集到1KB数据后)通过网口按照一定协议把数据发送到远程服务器①的"易监控音频、视频数据处理软件",详细通讯协议如下:

3-4 音频数据通讯协议示意图

注:

1、发送标志为:"/MKYY "à注意后面有个空格à "/MKYY"+" "

2、发送数量=发送标志+发送内容,发送数量的单位为字节,一个中文占两个字节。

3、发送数量及发送标志字节长度固定,发送数量字节长度:3  发送标志字节长度:5

4、发送数量为"发送标志"与"发送内容"长度之和。

C:传感器数据通讯协议

"智能网关"接收到各种类型的传感器数据之后,通过网口把数据按照一定的协议发送到远程服务器①的"易监控音频、视频数据处理软件",详细通讯协议如下:

图3-5 "智能网关"发送传感器数据协议示意图

注:

1、发送标志为:"/SEND "à注意后面有个空格à "/SEND"+" "

2、发送数量=发送标志+发送内容,发送数量的单位为字节,一个中文占两个字节。

3、发送数量及发送标志字节长度固定,发送数量字节长度:3  发送标志字节长度:5

4、发送数量为"发送标志"与"发送内容"长度之和。


3.1.3 远程服务器①数据处理方式


"音频视频数据处理软件"按照一定的通讯协议收到各种数据后,会进行一定的处理,处理方式如下:

A:把收到的视频数据转换为JPG格式的图片,发送到"WampServer软件",以便于远程客户端通过HTTP的方式访问远程图片。远程客户端通过访问http://xxxxxx/vip/1.jpg,实现视频监控(xxxxxx为远程服务器①所在的IP)。

B:把收到的持续高于一定阈值的音频数据转换为WAV格式的音频文件,发送到"WampServer软件","音频视频数据处理软件"通过访问http://localhost/VIP/sample_1.php实现对WAV音频文件的语音识别,并获得识别结果。

C:"音频视频数据处理软件"把自己设置为服务器模式,端口号为4507,等待远程客户端连接,连接后把音频数据通过TCP/IP协议发送给远程客户端。通讯协议如下:

图3-6 "音频视频数据处理软件"的音频数据处理协议

D:把收到的传感器数据处理后转发到"易监控"服务器,处理方式如下:

收到的数据:

图3-7 "音频视频数据处理软件"收到的传感器数据格式

处理后的数据:

图3-8 "音频视频数据处理软件"处理后的传感器数据格式


3.1.4 远程服务器②(易监控)数据处理方式


"易监控"远程服务器收到传感器数据之后会进行处理及存储,并根据用户设置的阈值情况进行相应的报警。详细了解"易监控"服务器工作原理,请见http://www.eeecontrol.com/admin-help.php


3.1.5 多类型客户端获取数据方式

客户端需要从三个地方获取三种数据,具体情况如下:

数据来源:"音频视频数据处理软件"

获取方式:TCP/IP (详见本章节3.1.3"远程服务器①数据处理方式")

数据来源:"WampServer软件"

获取方式:循环访问http://xxxxxx/vip/1.jpg(xxxxxx为远程服务器①所在的IP)

数据来源:"易监控"

获取方式:详见http://www.eeecontrol.com/help/data.php

3.2远程控制(命令控制)工作流程

3-9 命令控制流程示意图

多类型客户端按照一定的协议把控制命令发送到易监控(详细操作步骤见http://www.eeecontrol.com/help/order.php);易监控把命令通过TCP/IP方式转发到"音频视频数据处理软件";"音频视频数据处理软件"收到控制命令后同样以TCP/IP方式转发到"智能网关开发板";智能网关收到命令后,解析命令并控制相应的开关。

4 系统炫酷功能与产品特色

4.1 炫酷功能

远程视频:真正的远程视频监控,PC软件、手机APP现场看直播!

远程语音:远程语音,想听就听!

语音识别:配合云识别,说啥都能识别!

语音控制:说声"打开台灯",台灯就亮了,是不是很酷?!

远程检测:远程检测环境参数,一切尽在掌握之中。

远程控制:远程控制台灯、风扇、电视都可以,极速秒达。

多样报警:语音报警、电话报警、短信报警、邮件报警一样都不少!

总结:能看!能听!能测!能控!能说!能报警。

4-1 物联网通用平台炫酷功能

4.2 产品特色

4.2.1低功耗设计

A、无线节点锂电池供电,可循环多次充电;

B、传感器及节点设计采用低功耗设计,无线节点+传感器的平均功耗<500uA,一次充电可用数月。

4.2.2多类型监测控制客户端

A、PC客户端(功能强大);

B、手机客户端(安卓、手机WEB);

C、微信控制(趣味、流行);

D、网页WEB客户端(配置简单)。

4.2.3 控制实时性

远程控制响应速度<0.5S。

4.2.4 真正的外网控制

突破局域网限制,真正的外网控制,世界各地,想控就控。

    1. 传感器相关数据获取

    2. 视频图片获取

    3. 音频数据获取

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