基于智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

張 粵，倪桑晨，倪 偉

（1.淮陰工學(xué)院計算機(jī)工程學(xué)院，江蘇淮安 223003;2.東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189;3.淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

0 引言

現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大多采用有線數(shù)據(jù)采集與傳輸，現(xiàn)場安裝與布線繁瑣，工作量大，設(shè)備移動性差，組網(wǎng)復(fù)雜，成本較高，無法進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問與監(jiān)測。隨著人們生活水平的提高，對于生存環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高，尤其是環(huán)境參數(shù)諸如溫度與濕度對于人們生活舒適度的影響非常大。因此，研究開發(fā)一種智能環(huán)境信息無線傳輸與監(jiān)測［1，2］系統(tǒng)十分必要。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)集信息采集、處理和傳輸于一體，它的廣泛應(yīng)用［3］可以為環(huán)境信息掌控提供技術(shù)支持，在諸如國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、工程安全［4］，以及農(nóng)業(yè)溫室、畜禽養(yǎng)殖場和食品加工等領(lǐng)域［5］，已經(jīng)有了不少典型應(yīng)用案例［6，7］。系統(tǒng)主要由低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)通過Zig Bee自組網(wǎng)方式［8，9］構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸，通過 Zig Bee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的無線通信，可以通過監(jiān)測中心對系統(tǒng)進(jìn)行管理、數(shù)據(jù)分析以及發(fā)布監(jiān)測任務(wù)等。從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測過程中對多監(jiān)測點(diǎn)、多監(jiān)測參數(shù)、可靈活移動等方面的要求［10，11］。將該系統(tǒng)應(yīng)用于室內(nèi)溫濕度信息監(jiān)測，通過實(shí)驗檢驗網(wǎng)絡(luò)性能和監(jiān)測效果。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于無線傳感器和嵌入式技術(shù)，本文提出一種基于Zig Bee的無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括傳感器節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)）、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及監(jiān)測中心等部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of system

終端節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是采集環(huán)境數(shù)據(jù)，采用多跳路由策略實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無線傳輸，無需布線;充分利用Zig Bee無線數(shù)據(jù)接收技術(shù)、嵌入式微處理器的控制及外設(shè)擴(kuò)展功能，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的接收匯集和轉(zhuǎn)發(fā);監(jiān)測中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲與顯示，可以保存大量監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 Zig Bee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計

無線協(xié)議控制器和射頻收發(fā)部分選用 TI公司的CC2430芯片，它是將射頻與MCU集成一體的一種無線通信芯片。終端節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的感知、采集、處理及無線通信等，它是環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成單元。考慮到應(yīng)用需求，成本、功耗和可靠運(yùn)行等因素，組成包括電源供電模塊、CC2430微處理無線收發(fā)模塊和傳感器等模塊，本設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig 2 Hardware structure diagram of sensor node

CC2430是基于CC2420架構(gòu)、嵌入Zig Bee協(xié)議棧的無線協(xié)議控制和射頻收發(fā)器芯片，非常適合環(huán)境信息的檢測要求。在內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面，它集成128 kB可編程閃存、8 kB的RAM以及8路14位的A/D轉(zhuǎn)換器，它還集成了AES—128安全協(xié)同處理器，帶有2個支持多協(xié)議的USART，1個MAC計時器及2個8位計數(shù)器，32 kHz晶振的休眠模式定時器，掉電檢測電路和21個可編程I/O接口。在功耗方面，CC2430提供4種電源管理模式，用于降低功耗，在休眠模式下電流損耗僅0.9 μA，待機(jī)模式下電流消耗小于0.6 μA。CC2430在性能方面表現(xiàn)優(yōu)越，它配備一個高性能2.4 GHzDSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和一個工業(yè)級小巧高效的8051控制器，片上資源豐富、功能強(qiáng)大，在外圍電路設(shè)計方面，接線簡單，外圍電路少，可靠性得到提高。由終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)信息，經(jīng)CC2430進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，數(shù)據(jù)以無線多跳形式傳送給接收節(jié)點(diǎn)。

2.2 無線通信網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

無線網(wǎng)關(guān)主要功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)收集和轉(zhuǎn)發(fā)，用于將無線網(wǎng)絡(luò)接入有線控制網(wǎng)絡(luò)，通過有線控制網(wǎng)絡(luò)對終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。現(xiàn)場設(shè)備和無線網(wǎng)關(guān)之間的通信協(xié)議采用Zig Bee無線通信協(xié)議，無線網(wǎng)關(guān)具有的信息服務(wù)功能還有對數(shù)據(jù)信息的存儲、對數(shù)據(jù)的讀取和設(shè)置、周期性地檢測設(shè)備是否上線并標(biāo)示其當(dāng)前狀態(tài)等。考慮到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具體任務(wù)是對采集的信息進(jìn)行接收和轉(zhuǎn)發(fā)，以及其存儲能力和通信能力對于環(huán)境監(jiān)測要求并不高，因此，仍可采用CC2430。無線通信網(wǎng)關(guān)主要任務(wù)是通過串行網(wǎng)絡(luò)收集信號數(shù)據(jù)，由Zig Bee網(wǎng)絡(luò)收集環(huán)境參數(shù)信息，再經(jīng)過串行口與監(jiān)測中心連接。無線通信網(wǎng)關(guān)的總體設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3 無線通信網(wǎng)關(guān)設(shè)計框圖Fig 3 Design block diagram of wireless communication gateway

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

鑒于數(shù)據(jù)采集、處理的合理性及精度需求，終端節(jié)點(diǎn)軟件運(yùn)行步驟為:首先上電初始化，然后啟動網(wǎng)絡(luò)與搜索組網(wǎng)，并檢查網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，接著對經(jīng)標(biāo)識后的數(shù)據(jù)做出判斷，如果信息來自監(jiān)測區(qū)域，經(jīng)請求后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，依據(jù)系統(tǒng)需要，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送同意接收數(shù)據(jù)指令，判斷是否接收下一條數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸與發(fā)送工作流程如圖4所示。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲能力和通信能力比較強(qiáng)，其主要功能是接收與轉(zhuǎn)發(fā)。所有數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)以無線的方式發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再將其通過串行口傳給監(jiān)測中心PC機(jī)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還可以接收監(jiān)測機(jī)發(fā)送的控制命令，并將這些控制命令經(jīng)轉(zhuǎn)換之后發(fā)送給各數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件程序設(shè)計流程可以描述為:首先上電實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、CC2430硬件初始化以及Zig Bee協(xié)議棧初始化;然后建立網(wǎng)絡(luò);接著添加節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換任務(wù);最后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送操作。

3.3 監(jiān)測中心軟件設(shè)計

圖4 終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖Fig 4 Software flow chart of terminal node

通過監(jiān)測軟件，可以實(shí)時采集數(shù)據(jù)并顯示，形成報表供預(yù)報和決策參考，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)將結(jié)果用圖表、曲線顯示或打印輸出。監(jiān)控中心軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計原則，即將系統(tǒng)劃分為不同功能模塊，分別在每一個功能模塊中將少量共享變量屏蔽，便于獨(dú)立運(yùn)行，方便了軟件的修改、調(diào)試和擴(kuò)展。軟件結(jié)構(gòu)主要由菜單操作、數(shù)據(jù)庫操作、數(shù)據(jù)采集等3個模塊構(gòu)成。具體設(shè)計是在C++Builder集成開發(fā)環(huán)境中，新建基于可視化元件（VCL）的窗口應(yīng)用程序，工程名為SCOMMN，所有步驟保持默認(rèn)狀態(tài)，并在主窗體中添加控件。本文從簡潔易用的角度出發(fā)，設(shè)計系統(tǒng)的監(jiān)測中心軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 監(jiān)測中心軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig 5 Structure block diagram of monitoring center softwares

4 系統(tǒng)性能測試

本文選用Sensirion公司的數(shù)字溫濕度傳感器芯片SHT11，其主要特點(diǎn)是:該芯片集溫濕度傳感器、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路及存儲器于一體，二線數(shù)字接口，完全數(shù)字量輸出，無需微調(diào)，可與單片機(jī)直接相連，外圍電路簡單，體積小，電流消耗小等。

系統(tǒng)設(shè)計完成后，在實(shí)驗室運(yùn)用本開發(fā)板對環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測運(yùn)行，經(jīng)測試能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度的采集與傳輸后，安裝測試，系統(tǒng)連線大大減少，安裝方便、靈活。實(shí)驗時，在40 m2左右微機(jī)實(shí)驗室范圍安裝4個從節(jié)點(diǎn)和1個中心節(jié)點(diǎn)，分別標(biāo)示為N1～N4，對溫濕度進(jìn)行檢測，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸及列表顯示。經(jīng)測試，溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)在12 m范圍可以穿過傳感器實(shí)驗臺上儀器設(shè)備等障礙物，網(wǎng)絡(luò)自糾錯能力好，數(shù)據(jù)精度較高。溫度檢測誤差不超過±0.5℃，相對濕度的檢測誤差在5%RH之內(nèi)。如果檢測參數(shù)超限，計算機(jī)可以在3 s以內(nèi)作出響應(yīng)，顯示地址和超限參數(shù)值，并進(jìn)行報警。測試中獲得其中N1～N3共3個節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab 1 Statistical table of temperature and humidity monitoring data

5 結(jié)論

設(shè)計了系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟硬件系統(tǒng)與通信應(yīng)用軟件，進(jìn)行監(jiān)測中心應(yīng)用軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息監(jiān)測，數(shù)據(jù)以列表形式顯示。針對由于無線低功耗設(shè)計所引起的數(shù)據(jù)傳輸信號相對較弱、抗干擾能力較差及易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，在軟件方面進(jìn)行改進(jìn)，通過增加數(shù)據(jù)采集頻率，延長數(shù)據(jù)傳輸周期，減少了數(shù)據(jù)丟包率。對室內(nèi)溫濕度實(shí)施監(jiān)測，實(shí)驗結(jié)果表明:該系統(tǒng)針對環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、傳輸與監(jiān)測適用性較好，能夠為控制決策提供依據(jù)。與有線監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)適用范圍更廣，可應(yīng)用于多種環(huán)境信息監(jiān)測場合。

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