基于粒子濾波的物聯網通信終端信息智能監測系統設計

戴詠梅

(南京大學 招標辦公室，南京 210046)

0 引言

當前網絡終端信息安全與否受到了用戶密切關注。物聯網技術正逐漸融入人們生活，智能網絡概念恰好符合網絡終端信息安全監測發展方向[1]。利用通信技術和處理信息方式來提高智能監測精準度，其中有效防御突發信息對網絡終端造成的影響是智能監測重要特征[2]。傳統信息監測系統僅僅是對用戶個別信息進行監測，沒有考慮到節點信息遺漏的問題，存在監測精準度低的問題，無法對網絡終端信息進行準確監測[3]。為了解決傳統監測系統存在的問題，設計了一種基于粒子濾波的物聯網通信終端信息智能監測系統設計。利用TCP傳輸協議將不同節點處的信息控制模塊按照一定網絡拓撲結構連接起來，結合傳感器及多種數據傳輸方式，構建硬件框圖，利用ZigBee無線傳感設備網絡拓撲結構對節點進行信息轉發，優化軟件部分的無線通信技術協調器功能、服務器程序功能、通信功能以及客戶端展示功能，完成監測系統設計。實驗證明，該系統有效解決了節點信息遺漏問題，監測精度高。

1 系統整體架構設計

根據物聯網環境特征，對基于粒子濾波的物聯網通信終端信息智能監測系統的整體架構進行設計，給出物聯網通信終端信息智能監測系統整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構圖

由圖1可知：物聯網通信終端信息智能監測系統整體架構主要劃分為終端感知單元、監控開關單元和客戶端單元三部分，終端感知單元主要負責對信息參數進行監測和對監測開關的智能控制；監控開關主要負責向監測服務器傳送所有節點采集到的網絡終端參數，并向相關節點服務器發出指令信號；客戶端主要負責實時查看網絡終端信息監測結果，并進行遠程監控，對智能控制優先級監控開關中的服務器進行自動控制。

依據以上系統整體架構，對系統各部分的組成硬件及相應的軟件功能進行改進，使改進的物聯網通信終端信息智能監測系統具體合理性和有效性。

2 硬件設計

依據物聯網通信終端信息智能監測系統的整體架構設計，分析其功能需求，將系統終端感知單元、監控開關單元和客戶端單元三部分的組成硬件進行改進，配置更高的硬件環境，以便提升物聯網通信終端信息智能監測系統的監測精準度。具體改進過程描述如下：

2.1 終端感知單元

終端感知單元主要負責對信息參數進行監測和對監測開關智能控制，該部分采用低功耗、大容量的無線通信自組網方式實現穩定性強的雙向信息智能通信[4]。不同信息終端感知單元主要包括5個節點，分別是電源總開關節點、傳感器節點、采集器節點、處理器節點和接收器節點，改進設計的終端感知單元如圖2所示。

圖2 終端感知單元設計

圖2中，5個節點除了包含信息監測傳感器、可讀信息監測傳感器、不可讀信息監測傳感器、破損信息監測傳感器之外，還包括不同受控信息監測設備。傳感器節點監測包括：可讀網絡終端信息狀態監測模塊和不可讀信息狀態監測模塊；采集器節點監測包括：信息采集運行狀態監測模塊、監控開關控制模塊；處理器節點監測包括：繼電器模塊；接收器節點監測包括：開關狀態監測模塊、破損信息重新接收監測模塊[5]。

2.2 監控開關單元

監控開關主要包括無線傳感網絡協調器和物聯網服務器兩部分，通過射頻收發器串口進行實時相互通信，信息協調器負責向監測服務器傳送所有節點采集到的網絡終端參數，并向相關節點服務器發出指令信號。監控服務器的主要控制芯片采用半導體STM32f107VC開發板進行研發，該芯片具有互聯型屬性，支持物聯網環境下使用，集成ARM處理器32位指令集計算機內核，其最高工作頻率為36MHz，擁有325 KB的Flash和128 KB的靜態隨機存取存儲器(SRAM)，共同連接在2條外圍總線(APB)上，具有性價比高、消耗功率低等優勢，完全滿足目前監測系統設計的需求[6]。

2.3 客戶端單元

在客戶端單元設計了Windows 8客戶端和物聯網移動客戶端，用戶可通過客戶端界面實時查看網絡終端信息監測結果，還可進行遠程監控，對智能控制的優先級監控開關中的服務器進行自動控制[7]。

在硬件部分設計中，系統監控開關是整個融合網絡的關鍵所在，整個監控網絡需借助協調器的收發模塊與網絡中的各個節點進行通信，同時利用系統服務器通過物聯網使用數據進行無差錯、不重復信息監測，按照序列完成TCP協議的客戶端傳達，并進行遠程實時交互[8]。由于不同信息收發器處的節點較多，應充分考慮無線信號的傳遞情況，利用ZigBee無線傳感設備的網絡拓撲結構對節點進行信息轉發，可確保信息傳輸的可靠性。

節點與其它部分的連接設計如圖3所示。

圖3 節點與其他部分連接圖

圖3節點中的可讀信息、不可讀信息、破損信息等監測傳感器的使用更適合熱釋電開關，而普通信息傳遞監測的傳感器更適合紅外線熱釋電傳感器。

根據以上步驟，選用性能較高的芯片，分別對終端感知單元、監控開關單元和客戶端單元的組成節點電路進行改進設計，完成聯網通信終端信息智能監測系統的硬件設計，為系統軟件設計提供最優的硬件環境。

3 軟件設計

聯網通信終端信息智能監測系統軟件部分主要包括四個功能模塊，分別是無線通信技術(ZigBee)協調器功能、服務器程序功能、通信功能、客戶端展示功能。

采用粒子濾波算法，通過對信息權值和信息概率密度進行計算[9]，采用PAN標識標記信息，進行全面掃描，處理節點信息遺漏問題，實現軟件各功能的優化開發。無線通信技術協調器可實現網絡構建與管理；監控服務器程序可實現對接收結果的智能處理，利用TCP/IP協議向協調器發送控制命令；通信功能可實現超文本傳輸協議Http通信和Socket通信；客戶端展示功能可實現用戶對網絡終端信息傳輸狀態的實時監測。

3.1 無線通信技術(ZigBee)協調器功能

無線通信技術(ZigBee)協調器節點是網絡節點的核心部分，主要負責對網絡的構建與管理。對系統供電，首先對協議棧進行初始化處理；然后選擇空閑信道構建網絡環境；最后查找信道，如果找到合適信道，協調器就會具有PAN標識，該標識可表示整個網絡信息監測情況，為此選擇PAN標識是具有必要性的。如果節點處有信息遺漏，那么首先應進行智能掃描，查找周圍環境是否具有協調器；然后在掃描限制范圍內對信標進行監測，由此獲取協調器的相關信息，并發出連接請求；最后對協調器節點進行短地址分配，其中包含新地址與連接成功狀態的指令，由此可進行信息通信，具體流程如圖4所示。

圖4 ZigBee程序流程圖

作為物聯網環境下網絡主控節點，無線通信技術(ZigBee)協調器節點的加入可將網絡舊地址與新地址進行實時交換，同時可與服務器進行智能通信。

對無線通信技術(ZigBee)協調器供電，并對系統進行初始化處理，可在某個空閑信道構建網絡拓撲結構。經過節點認證后，可加入網絡進行信息判斷。正常情況下，協調器可分配ZigBee一個地址，并對地址信息進行記錄；如果有異常情況發生，需對發生事件種類進行判斷。通過網絡發送過來的監測信息，進行格式化處理，并發送至服務器進行分析。

3.2 服務器程序功能

監控服務器程序設計主要包括兩部分：客戶端連接和程序控制。服務器不僅僅能夠接收協調器發送的信息，還可對接收的結果進行智能處理，即為控制信息[10]。將相關數據信息利用TCP/IP協議傳輸到Windows 8客戶端和物聯網筆記本網頁客戶端，通過接收到的客戶端指令，向協調器發送控制命令，具體流程如圖5所示。

圖5 服務器程序流程

由圖5可知：對系統進行初始化處理之后，進入函數主循環，判斷其中是否出現中斷情況。如果出現中斷情況，判斷中斷發生的類型，主要包括三種：系統所有客戶端連接請求發生中斷、射頻收發器對網絡終端接收發生中斷、各個客戶端發送的控制命令發生中斷。如果客戶端出現不同連接請求，需要接受并響應；如果是射頻收發器出現中斷，則需協調器發送網絡終端信息，依次對信息進行處理與判斷，并將控制指令發送給協調器，由協調器進行信息分配，并以分配實時狀態發送給客戶端；如果客戶端使用了TCP協議進行信息發送，那么信息監測控制開關命令會受到協調器控制，響應協調器安排。

3.3 通信功能

物聯網環境應用與服務器通信功能主要體現在兩個方面，分別是超文本傳輸協議Http通信和Socket通信。其中Http通信使用的是請求響應模式，只有當客戶端發出請求命令時才能建立通信連接；而Socket通信使用的是直接傳輸方式，即在信息傳輸之前就已連接好，之后可直接進行網絡終端信息的傳輸[11]。

通信部分的設計可使用戶能夠在移動端對信息各種參數進行監測，并且每隔3分鐘就可刷新一次，因此，為了節省資源利用情況，選擇Http作為主要通信技術，在移動端每隔3分鐘發送一次 “allow”請求，其核心代碼如下所示：

String path=http://112.74.81.226:8080/JsonWeb/Json-Servlet

URL url=new URL(path);

HttpGet httpGet=new HttpGet(url);

HttpClient he=new DefaultHttpClient();

HttpResponse ht=hc.execute(httpGet);

if(ht.getStatusLine( ).getStatusCode( )= =HttpStatus.SC_OK){

HttpEntity he=ht.getEntity();

InputStream is=he.getContent();

BufferedReader br=new Buff'eredReader(new InputStream-Reader(is));while((readLine=br.readLine())!=null){

response=response+readLine;

}

return sponse;

移動端如果訪問網絡資源情況，需要經過授權才可進行網絡的訪問。在授權時，需在移動Manifest.xml文件中添加如下語句可進行客戶端訪問。

3.4 客戶端展示功能

該系統的設計了支持兩種客戶端，分別是Windows 8客戶端和物聯網移動客戶端。在不同客戶端都可查看網絡終端信息的傳輸狀態，并通過客戶端的UI界面控制按鈕，控制信息智能監測開關。其中計算機和移動客戶端都可適用Qt5開發環境，Qt5可編寫圖形用戶界面，既簡單又方便，Web網頁客戶端可使用可編寫圖形用戶環境進行系統設計，并對網頁展示進行控制。

綜上所述，以監測需求為理論依據，對物聯網通信終端信息智能監測系統的整體架構進行設計，將整體架構劃分為終端感知單元、監控開關單元和客戶端單元，選用性能精良的芯片重新組建各單元硬件；用PAN標識節點信息，智能掃描信息結合粒子濾波算法統計節點遺漏信息，發出遺漏信息連接請求，重新分配其地址，實現軟件各監測功能的優化，完成基于粒子濾波的物聯網通信終端信息智能監測系統設計。

4 實驗結果與分析

為了驗證基于粒子濾波的物聯網通信終端信息智能監測系統設計的合理性進行了實驗。分別對監測相關標準進行系統的構建，完成硬件與軟件功能的測試，并對結果進行了適當分析。在實際測試中，選擇距離相對較遠的網絡終端信息智能監測代替整個網絡終端的信息智能監測。在不同網絡用戶所監測的終端信息有1條重要信息、10條普通信息和該信息智能控制的導火索信息。

4.1 實驗環境設置

首先對信息智能運行狀態的電路進行檢測，各個無線通信技術模塊與信息智能連接，針對不同信息需要調整監控器的擊穿狀態，否則會造成系統監測效果不準確。在對每個無線通信技術模塊進行程序編寫時，需要修改協議棧中分析程序下的MYID變量值，實現不同設備具有統一規律編號，方便客戶端快速區分不同信息狀態下的無線通訊情況，實現數據的集中處理。

利用STM32f107VC作為遠程監控的開發板，將開發板與無線調節器通過通用異步收發傳輸器串口接收，并在該串口的修改信息傳送的IP地址，由于在STM32f107VC開發板上無法簡單的對IP地址進行驗證，因此，可先將網絡連接到物聯網環境下的電腦中對IP地址進行修改，并驗證是否可用。對程序進行編譯，并下載至STM32f107VC開發板上，接入網線啟動電源之后，開發板可顯示為：

IP地址：101.101.84.221

路由地址：101.101.834.1

完成！

通過開發板顯示情況可知，該網絡已經成功接入設備已經完成初始化準備。

4.2 結果分析

由于在物聯網通信終端信息智能監測系統中信息傳送的波長系數標定準確性在較大程度上決定了監測系統的監測精準度。在實驗中，綜合整體信息波長系數，盡量縮小系統誤差，以便快速提高監測系統對信息智能監測精準度，確保監測準確性，促使監測效果更高、系統也趨于穩定。在物聯網環境下，取得一條信息傳輸波長為1444.487，設置在5分鐘內收集系統穩定時的信息波長，并記錄于表中，不斷重復此操作，以此類推，獲取在物聯網環境下，不同信息數量實時波長與一條信息波長的數據，如表1所示。

表1 通信終端信息智能監測系統信息波長數據

為了確保信息監測在整個測試范圍內都具有可靠性，結合表獲取信息波長系數，并計算平均值。根據《信息無線通信傳感通用規范》監測方法，對信息監測的準確性進行檢驗，指標如下所示：

信息監測范圍：1～100 kB；

信息監測精度誤差：±1 kB；

監測分辨率：0.1 kB。

監測具體方法如下所示：保證監測條件不變的情況下，進行6次重復實驗，將傳統監測系統與改進監測系統對網絡終端信息進行監測，整體監測精準度進行對比，結果如圖6所示。

圖6 兩種不同系統整體監測精準度對比結果

由圖6可知：傳統系統對網絡終端信息進行監測時，隨著實驗次數的增加，整體監測精準度穩定在48%左右，且實時波長逐漸減??；而改進設計的物聯網通信終端信息智能監測系統進行監測時，隨著實驗次數的增加，監測精準度穩定在90%左右，且實時波長趨于穩定狀態。對比改進系統和傳統系統的整體監測精準度可得，改進系統的整體監測精準度遠遠高于傳統系統的整體監測精準度。

根據上述實驗驗證結果可知，隨著實驗次數增加，傳統系統信息監測實時波長逐漸減小，改進系統實時波長趨于穩定狀態，實時波長直接反映出監測精確度的高低，實時波長變化越穩定，表示監測精確度越高。對比改進系統和傳統系統的實時波長，改進系統的實時波長變化更穩定，說明改進系統的監測精確度更高。

顯示結果的清晰程度間接反映了監測的精確度，分別對改進系統和傳統系統的顯示結果清晰度進行測試，測得結果進行對比，如圖7所示。

圖7 兩種不同系統顯示結果清晰度對比

由圖7可知：傳統系統信息監測結果顯示比較混亂，實時波長長度不一，顯示結果不準確；而改進設計的物聯網通信終端信息智能監測系統對信息監測結果顯示規律性較強，且實時波長顯示準確。對比兩種系統的實驗結果可得，改進系統的顯示結果清晰度更高，顯示結果更準確，說明改進系統的監測精確度更高。

4.3 實驗結論

根據上述實驗內容，可得出實驗結論：使用傳統系統對網絡終端信息進行監測時，隨著實驗次數的增加，監測精準率穩定在48%左右，且實時波長變化幅度大，顯示結果清晰度較差；而改進設計的物聯網通信終端信息智能監測系統，隨著實

驗次數的增加，監測精準率穩定在90%左右，實時波長趨于穩定狀態，顯示結果清晰度更好。

4 結束語

基于粒子濾波的物聯網通信終端信息智能監測系統運用目前最流行的客戶端開發平臺，利用網絡服務器作為客戶端與數據庫之間的紐帶，使系統具有先進性和實用性。通過實驗結果可知，該系統監測精準度高、實時顯示信息波長較為穩定，顯示結果清晰度高，可實現信息智能監測。用戶不但可以隨時登錄客戶端查看信息智能監測結果，且信息智能監測的準確性高，使得信息利用價值更高，具有良好的交互性。未來將在系統的監測效率方面進行深入研究，為信息監測提供了良好解決途徑。

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