基于 oneM2M 标准的空气质量监测系统的互操作性

论文标题

英文标题： Interoperability of Air Quality Monitoring Systems through the oneM2M Standard
中文标题： 基于 oneM2M 标准的空气质量监测系统的互操作性

作者信息

Jonnar Danielle Diosana, Gabriel Angelo Limlingan, Danielle Bryan Sore, Marc Rosales, Isabel Austria, Jaybie de Guzman, John Richard Hizon
Electrical and Electronics Engineering Institute, University of the Philippines, Diliman Quezon City, Philippines
Email: {jonnar.danielle.diosana, gabriel.angelo.limlingan, danielle.bryan.sore, richard.hizon}@eee.upd.edu.ph

论文出处

2024 31st IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS)
DOI: 10.1109/ICECS61496.2024.10849089

摘要

本文探讨了通过 oneM2M 标准实现空气质量监测（AQM）系统的互操作性。通过在菲律宾大学城市环境空气研究中心（UP CARE）现有的 AQM 研究计划中引入 oneM2M 标准，实现了 Wi-Fi、LoRa 和 Zigbee 等不同无线协议设备的数据标准化和传输。该系统在服务器停机时实现了 0.14% 的平均重传率、356.8 毫秒的最大端到端延迟和 99.5% 的数据可靠性。

1. 引言

空气质量监测（AQM）系统在学术界、政府和公众的创新和决策过程中发挥着重要作用。现有的 AQM 系统通过部署多个传感器测量污染物浓度并将数据上传到服务器进行监测和分析。然而，随着全球机器到机器（M2M）通信标准的发展，AQM 系统需要更高的可扩展性和互操作性，以便整合局部数据点并生成更广泛的区域视图。oneM2M 标准旨在为 M2M 通信行业提供标准化和规范，以实现不同系统之间的互操作性。本文介绍了一个基于 oneM2M 标准的 AQM 系统，通过 Wi-Fi、LoRa 和 Zigbee 等无线协议将传感器数据标准化并传输到 oneM2M 服务器。

2. AQM 系统的互操作性解决方案

现有的 AQM 解决方案通过多种传感器测量环境参数（如二氧化碳、颗粒物、温度和湿度），并利用 Wi-Fi、LoRa 和 Zigbee 等无线通信协议实现可靠传输。这些协议在数据速率、传输范围、功耗和成本方面各有优缺点。例如，Wi-Fi 支持高数据速率但功耗高且范围有限；LoRa 适合定期监测传感器值；Zigbee 则因其低功耗和无缝连接而具有灵活性。此外，AQM 系统还面临消息协议固定配置的问题，如 MQTT 和 HTTP 的互操作性。oneM2M 标准通过水平协议栈（包括应用层、oneM2M 服务和网络层）解决了这些问题，为 AQM 系统提供了互操作性、可访问性和可扩展性。

3. 方法与实现

本文实现了一个基于 oneM2M 协议的 AQM 系统，包括传感器和路由器、本地网络、数据库管理系统以及用户界面。系统设计基于 oneM2M 功能架构，分为现场域（部署结构）和基础设施域（中央服务器）。

3.1 AQM 传感器

• Wi-Fi 传感器：使用 ESP32 微控制器和 HC8 CO2 NDIR 传感器，通过 MQTT 协议将数据传输到代理服务器。

• LoRa 传感器：使用 ESP32 微控制器和 SX1278 LoRa 收发器，数据以 JSON 格式发送并通过 Paho 集成到 MQTT。

• Zigbee 传感器：使用 Raspberry Pi 和 Zigbee2MQTT，支持超过 3000 种设备，数据直接链接到 MQTT 服务。

3.2 Raspberry Pi 网关

网关负责数据管理和通信，接收来自不同无线技术传感器的数据，并将其转发到互操作代理实体（IPE）进行数据标准化。数据随后被上传到 oneM2M 服务器，并存储在本地 SQL 数据库中。

3.3 基于 oneM2M 的传感器网络

所有设备、网关和传感器数据在 oneM2M 系统中以资源形式表示。中央服务器作为基础设施节点（IN），包含开源的 IN-CSE（公共服务中心实体）。系统通过 IPE 实现不同无线技术设备的互操作性和数据标准化。

3.4 用户界面

用户界面通过 Grafana 实现，提供实时空气质量指标的趋势图和数据实例的描述信息。界面还支持设备注册、删除和网关传感器的概览等功能。

4. 结果与讨论

本节介绍了系统的功能和性能测试结果，包括互操作性和可靠的数据管理。

4.1 互操作性

通过协议堆叠技术，系统实现了不同无线技术的传感器网络的互操作性。所有传输到系统中的数据，无论使用何种无线技术，均以 oneM2M 资源的形式统一存储，确保了数据格式的一致性。

4.2 数据管理可靠性

系统通过网关的本地存储实现了数据存储的可靠性。即使在服务器中断期间，系统仍能实现 99.63% 的数据传输率（DDR）。总体而言，系统在最佳网络条件下实现了 99.5% 的数据可靠性。

4.3 网络性能

系统在三个地点部署，测试了网络的拥塞情况。每个网关的 TCP 重传率均低于 1%，表明系统具有较低的冗余传输。网络延迟通过从网关到服务器的 ping 测试和数据存储时间计算得出。由于扩展网络的需要，系统使用了虚拟专用网络（VPN），这增加了网关到中央服务器的额外跳数，从而影响了平均网络延迟。

5. 结论

本文开发了一个基于 oneM2M 架构的标准化空气质量监测网络，实现了互操作性、可扩展性和数据可靠性。系统通过多个网关和中央服务器存储不同位置的数据，展示了在不同网络条件下的高效数据管理能力。未来的工作将包括增加更多信息（如位置和语义）以增强从物理环境到数字世界的空气质量建模能力。

6. 致谢

作者感谢 UP CARE 的指导和建设性反馈，以及 DOST 的项目资助。同时感谢家人和朋友的支持。