英语原文共 12 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
SmartWine:智能端到端云监控系统
Katerina Smiljkovikj·Liljana Gavrilovska
摘要
SmartWine是一个智能云系统，用于监测葡萄酒生产过程，从葡萄种植到葡萄酒生产和储存。这是一个端到端的智能化，节能和现代化的葡萄酒生产技术链解决方案，能够对关键过程参数进行实时和离线监测。SmartWine提供专门针对用户需求而设计的解决方案，可实现24/7有效监控来自世界上任何地点的葡萄酒生产的每个阶段。SmartWine基于一个传感器网络平台，利用现成的传感器。这是一个基于云的物联网（IoT）解决方案与中央服务器系统，允许多个用户同时进行，透明地使用这个系统。本文介绍了用于实施葡萄园监测的SmartWine解决方案。SmartWine为葡萄酒制造商提供可持续的管理，监测资源消耗、能源消耗、水和农药的消耗情况，用于更可持续和更高品质的葡萄酒生产。
关键词：无线传感器网络 监控系统 云系统 Web服务
1.介绍
传感器网络的发展始于20世纪末，随着军事目的的应用而发展。从那时起，计算和技术的快速发展影响了传感器网络在网络、处理和可靠性方面的发展。传感器网络的最广泛和最全面的研究之一是由DARPA所进行的一项名为传感器信息技术的研究[1]。该研究总结了两个重要的问题，一个是针对适用于高度动态特定环境的新网络技术，另一个针对网络信息处理，即从部署的传感器网络提取有用，可靠和及时的信息。
IEEE进一步鼓励传感器网络的发展，定义了个人局域网（PANs）的IEEE 802.15标准组，特别强调致力于低速无线PAN的IEEE 802.15.4标准。IEEE注意到低成本和高性能，促进了这些技术的发展并确保了传感器网络继续的发展。 此外，增加的处理器能力和芯片容量使传感、计算和通信能够在单个芯片上执行，从而降低了成本并实现广泛的部署。
无线传感器网络(WSNs)是一种很有前途的室内和室外监测技术解决方案。传感器网络今天被注意是由于他们使用廉价和智能的设备，通过无线链路和因特网联网，并且通常部署在任何周围[2]和[3]。因此，应用程序有着前所未有的机遇，这些应用程序仅依赖于市场上现有的传感器。根据《商业周刊》[4]，无线传感器网络被列为二十一世纪21项最重要的技术之一，今天已被证实。根据麻省理工学院的数据，传感器被列为十大将改变世界的新兴技术之一。
一般来说，传感器是通过互联网连接实现的，它创建了一个传感器网络，可以感知情境、感知环境、推理和正确行为，从而使它们成为物联网范例的启动者[6]。
SmartWine的动机是对农业领域进行自动化和监控的需求，它是一种利用分布式传感器网络监控葡萄园的智能系统。主要目标是利用环境(气候条件、土壤条件等)收集到的信息，并通过复杂的技术解决方案进行升级，以实现葡萄（和葡萄酒）生产过程的自动化，提高和改进。为了提高葡萄酒的质量，可以很容易地将SmartWine解决方案扩展到端到端解决方案，以全面监控葡萄酒生产过程。该监测传感器系统被设计为基于云的解决方案，最适合于许多分布式的vineries服务。从酒厂的角度来看，他们有独特的传感器网络，用于存储其测量数据的独特数据库以及最终的Web应用程序介绍所需的数据。
西班牙的Grupo Austen也完成了类似的工作，该系统被称为Siega系统，它专门用于葡萄园监测[7]。然而，SmartWine系统有一个独特的集中式云服务器系统，由电信运营商提供，目前正处于商业化的阶段，在与我国有名的葡萄园合作的商业化阶段作为系统的最终用户。它还实施了能量收集解决方案，它允许在没有任何基础设施的远程位置实现系统。
SmartWine易于扩展，并且可以透明地包含来自不同厂家的传感器，在[8-10]和[11]中可以找到其他类似的监测系统的演示例子。
本文组织如下:第2节概述了系统体系结构，详细描述了系统的每个部分。本节从工程角度讨论设计问题。第3节从用户的角度描述了系统的功能。第4节给出了结论，并阐述了对不同市场的可能扩展，并展望了未来的工作。
2.系统架构
SmartWine架构包含三个主要组件，无线传感器网络，传输网络和集中式云端服务器系统。它们的互连如图1所示。本节的其余部分详细描述了SmartWine体系结构的每个组件、具体的设计需求和建议的技术解决方案。
图1 SmartWine系统组件及其互连
2.1无线传感器网络
WSN平台集成了一组专门为农业应用而设计的传感器，即葡萄园和酒窖监控。该传感器可测量室内参数、室外参数、土壤和植物参数。我们使用的设备包括来自知名制造商Libelium(西班牙)的现成传感器模块，名为Waspmotes。
该模块本身包括若干模拟和数字输入和输出，所有这些都用于附加传感器，从而使系统能够监测在葡萄酒生产过程中更大范围的环境参数。对于所有可用于应用的可能的传感器板，SmartWine使用其中的两个，农业传感器板和气体传感器板，这是最适合这个应用的。农业传感器委员会专门用于在葡萄园中安装能够直接测量参数的传感器，而气体传感器板则专门用于测量环境参数的传感器。SmartWine除了利用传感器外，还可以很容易地升级，用传感器来监测发酵过程(如糖水平、酒精含量和温度)。
每个Waspmote传感器板都使用电池供电，并使用能量收集解决方案充电。微尘通过附着在每个微尘上的太阳能板开发太阳能。
WSN的拓扑可以通过两种不同的方法实现，集中和分布式。第一个使用集中的设备进行数据收集(即网关)，而第二个则依赖于一个完全分布式的拓扑，每个WSN节点都独立地将数据发送到集中式服务器系统。这两种拓扑分别在各教派中详细描述。2.1.1和2.1.2。SmartWine协议负责建立和管理WSN和web服务器之间的通信。在两种拓扑——集中式和分布式中，发送到web服务器的消息都是标准化的，不依赖于特定的体系结构。WSN(在两种方法中，即集中和分布式)和web服务器之间的通信是通过使用预定义的任意端口号来实现的TCP/IP套接字通信实现的。消息被定义为C/ c 格式结构，这些结构仅由WSN接口和web服务器识别。此外，消息以二进制格式交换，因此避免了安全问题。
2.1.1 集中式WSN拓扑
在集中式拓扑中，网关收集来自传感器节点的消息并将它们转发给中央服务器系统。集中式拓扑结构使用XBee 868无线电模块，使用的频率是欧洲的869MHz频段，使用单一频道。
Waspmote传感器节点通过XBee无线电模块向Waspmote网关发送消息。Waspmote网关将消息转发到本地PC上的主机应用程序，然后通过Internet将数据发送到web应用程序，如图2所示。客户使用公共互联网网络访问已测量的数据。
图2 SmartWine集中式拓扑
集中式拓扑的消息序列图(MSC)显示在完成新度量时以及当终端用户打开web应用程序时的消息交换。
2.1.2 分布式传感器网络拓扑结构
在分布式拓扑中，传感器节点负责将消息以特定的格式打包在结构中。使用GSM/GPRS网络，消息被传输到web服务器。该分布式拓扑采用GSM/GPRS模块，SIM900 (SIMCom)模型，具有850/900/1,800/1,900MHz、UFL天线连接器和0 dBmi外部天线的四频段。
Waspmote传感器节点通过GSM/GPRS模块向最近的GSM/GPRS基站发送消息，GSM/GPRS基站通过互联网将消息发送到web服务器上的web应用程序，客户端可以使用Internet连接访问已测量的数据，如图3所示。采用GPRS隧道，可以提高分布式WSN拓扑的安全性。隧道可以在Waspmote传感器模块端或操作符GGSN端启动tunneling，并在服务器端终止。应该注意的是，由于Waspmotes对IP隧道的有限的能力，前者的方法更加昂贵，因为它需要额外的硬件。因此，后一种方法更可取。
图3 SmartWine分布式拓扑
集中式拓扑和分布式拓扑之间进行了比较。此外，SmartWine系统可以同时使用这两种拓扑。
2.2运输网络
WSN和服务器系统之间的连接通过公共交通网络实现。该组件可以是固定网络或移动网络。
集中式拓扑需要固定或移动网络来将消息传输到网络服务器。网关连接到PC，可以使用公共固定互联网作为传输网络。 PC也可以具有GPRS / 3G接口，并利用移动网络作为传输网络。
分布式拓扑需要移动网络来传输消息到Web服务器。由于每个传感器节点都配备了一个GPRS模块，因此这些传感器会自动将消息发送到移动网络，该移动网络充当此拓扑的传输网络。
每个Waspmote都会在30分钟内向Web服务器发送一条消息。在集中式拓扑结构中，通信通过网关，而在分布式拓扑中，通信直接与网络服务器通信。由于无线传感器网络由多个蜂鸣器组成，每个Waspmote可以配备不同数量的传感器，因此每个蜂鸣器都会发送不同长度的消息。
2.3 集中服务器系统
SmartWine系统的设计目的是使用一个集中式的基于云的服务器端，包含一个数据库服务器和一个web服务器。云系统由电信运营商提供，WSN接口被设计为对WSN段中使用的传感器类型透明。web应用程序可以通过Internet连接从世界各地访问。
3.SmartWine性能
SmartWine Web应用程序具有丰富的功能集，并根据客户需求进行指定。该应用程序与少数酒厂协调设计，它以最合适的方式表示监控结果的可视化。该Web应用程序是使用C＃编程语言在ASP.NET中开发的。
功能通常分为几个类别:实时观察、统计、警报和用户管理。下面的文章提供了一些一般性的解释。
3.1 实时数据观察
该应用程序提供了现场所有传感器的实时测量数据。该应用程序包含一个地图，该地图显示测量点的真实位置，以及在某个测点上附着的传感器的最后测量值，图4。
图4 实时测量选定的位置
它使用量规来显示当前的值，显示测量的准确时间和特定的颜色，以表示该值是否在绿色区域或接近最小值或最大值。实时测量结果如图5所示。该应用程序还为选定的参数提供了一个更详细的视图，如图6所示，例如在一天的三个特定时间内的最小值、最大值、平均值和当天三个特定时间的值。图6还显示了在不同测量位置测量相同传感器类型的图表。开发的应用程序还可以为每个传感器节点提供电池级别的详细信息。该应用程序还具有在同一图表上显示多个参数的功能，这对于比较相同类型和不同类型参数的参数是有用的，如图7所示。
图5 实时测量三个最受欢迎的传感器
图6 所选参数的详细视图以及来自不同位置的相同参数的测量结果的比较
图7 在同一张图上比较不同参数
3.2统计
该应用程序显示了不同的统计数据（例如，每日统计数据，每周统计数据，每月统计数据和年度统计数据），如图8所示。用户还可以指定在特定时间段内的优选统计数据。除了统计数据的可视化外，用户还可以导出所需的数据并将其用于进一步的特定需求。
图8 用户指定时间段内所选参数的统计视图
3.3警报
系统有单独的控制台应用程序，它执行警报检查。它是警报触发的核心，也是系统上下文感知的核心。
警报应用程序允许用户根据他的专业知识和经验为不同的指标(例如参数值和传感器)定义一组警报。用户可以通过指定字段、测量位置和传感器来引入新的警报。用户还可以定义参数值的变化区间和如何触发警报(以及对警报的适当描述)。该应用程序还允许用户定义多个不同参数组合的组合警报，并用于预测特定的关键情况。这是一个特别有用的选择，因为特定的参数组合(例如温度和湿度)是葡萄特定疾病的诱因。类似地，应用程序允许用户为选定字段中测量特定参数的所有传感器定义警报。
该应用程序还列出了所有已定义的警报，并为警报激活/失活和警报删除提供了选项。它还提供离线和实时触发警报，图9。离线触发是指用户在特定的时间内检查警报，通过实时触发，用户可以通过电子邮件或短信即时获知最新的警报。
图9 触发报警列表和已定义报警列表，带有报警激活/取消激活选项
完整的SmartWine解决方案的警报系统使酿酒师能够根据葡萄园中特定的危急情况适当地采取行动。使用该系统，用户可以以最有效的方式，在时间和资源(水和杀虫剂)使用方面对气候变化作出反应。因此，该系统可实现经济高效的资源消耗和可持续监测实践。此外，从系统中收集的长期观察结果可用作有价值的结论，作为葡萄酒质量的保证。
3.4 用户管理
该应用程序提供用户管理选项，即创建新用户和修改/删除用户。新创建的用户的用户权限始终是执行新用户创建的日志用户权限的子集，如图10所示。这允许简单高效的分层用户管理。
图10 将用户与他将被允许查看的参数相关联
4.结论
本文提出了一种基于智能云的解决方案，开发了一种名为SmartWine的葡萄园监控系统。在实际的场景中，SmartWine的实际部署的好处是很多的。酒庄将会有一个专门为他们的需求设计的智能实时个性化监控系统。他们将有机会增加资源利用，预防疾病和提高葡萄酒的质量。此外，经济本身也将受益于在出口市场上拥有更有竞争力的葡萄酒。
SmartWine是一个开放的系统，可以很容易地扩展为端到端系统，并升级到新的解决方案。升级的可能解决方案是不断监测和监测生产葡萄酒的运输和储存，这是通过RFID技术实现的。此外，利用报警应用的输出，系统可以连接到自动化系统，以便自动化对特定气候条件的反应。
除了为葡萄园、葡萄园和酒窖开发应用之
全文共6612字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[17172]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
