基于無線傳感網的移動監測系統

摘 要：利用STM32W108平臺進行無線傳感網的數據采集、控制及傳輸，通過移動終端的軟件設計，可以實現工業數據的全時段移動監測，滿足對工業現場的遠程實時監測需求，大大提高了工業生產管理的效率，減少了巡檢工人的勞動強度。

關鍵詞：無線傳感網；移動終端；移動應用

引言

無線傳感網絡是由大量小體積、低成本，具有無線通信能力、也能采集和處理相關數據的傳感器節點組成。無線傳感網絡涵蓋了多門學科的理論與技術，因此在各個領域收到了廣泛的關注。無線傳感網絡的產生和高速發展得益于現代網絡技術、無線通信技術、傳感器技術和嵌入式系統技術的快速發展。由于無線傳感網絡具備快速獲取信息、精確度高、延時短等特點，因此在軍事、農業、工業、智能家居、醫療和環境監控等多個領域得到了廣泛應用。[1][2]

在工業現場數據監測采集這方面，目前我國大多是采用有線方式，現場需要大量布線，安裝費時費力，維護難度高，成本高，布局固定，這些因素降低了系統的靈活性、擴展性和性價比。

本系統基于Zigbee無線網絡技術，利用無線網絡節點組成了工業數據采集系統，靈活度高，可隨意更改節點位置，而無需擔心布線和維護的問題，且設計并開發了可應用于移動終端的軟件，實現在工業現場以外也能通過手機等便攜設備實時監測工業現場的數據。

1 系統工作原理

本系統由無線傳感網絡節點、無線傳感網關、數據庫、移動終端等幾部分組成。無線傳感網絡節點是整個系統的基礎，節點彼此間通過Zigbee網絡進行數據的傳輸，可安置在工業現場，進行各種工業數據的采集。采集后的數據及時上傳到無線網關，經過無線網關的處理，將數據通過Internet網絡傳輸到移動終端，在移動終端可進行數據查詢，以達到實時監測工業現場的目的。

本系統的無線傳感網絡主要是通過Zigbee技術來實現的。Zigbee技術具有傳輸距離較近、能耗低、成本低、延時短等特點，是一種雙向的無線通訊技術，主要服務于規模小、成本低的無線網絡，進行網絡連接與相關控制。在工業領域中，使用以Zigbee技術為基礎的傳感器網絡，能夠大大方便相關數據的采集與整合。[3]

2 系統架構

2.1 無線傳感網節點

本系統中的無線傳感網絡節點，即在工業現場進行工業數據采集的端設備。端設備節點由處理器模塊、采集模塊、電源模塊及其他外圍模塊組成。節點以STM32W108芯片作為處理器模塊，該處理器也是整個節點的核心，用于完成數據發送，數據處理、數據存儲、執行通信協議和節點調度管理等工作；采集模塊包括各種傳感器和執行器， 用于采集工業數據和執行各種內部功能；電源模塊直接為該系統所有硬件部分供電；其他外圍模塊包括按鍵模塊、LED模塊、低電量檢測電路等，這些模塊同樣為系統進行服務、執行相關指令。

STM32W108與其他2.4GHzSoC芯片對比來看，其優勢非常明顯。首先，在保持低功耗的基礎上，STM32W108采用了32 位的 ARM Cortex-M3內核，提高了強大的處理能力，處理速度遠超其他 8、16 位處理器；其次，芯片內部自帶功率放大器（PA），發射輸出功率可達+7dBm，與其他外置PA的系統相比，在保持了發射功率的同時更加簡單、便捷；除此之外，STM32W108 芯片不同版本分別固化了 802.15.4MAC、ZigBee、RF4CE 等協議棧， 用戶無需理解開發網絡協議，就可以進行符合相關標準的無線網絡產品開發，從而降低開發難度，簡化開發流程，縮短開發周期。

2.2 無線傳感網關

2.2.1 網關功能分析

智能家居、智能交通等智能化網絡在實現過程中往往涉及到兩種或多種不同結構的網絡，如無線傳感器網絡和Internet網絡。無線網關是連接無線傳感網絡與Internet網絡之間的橋梁。基于ZigBee 的無線網關整體結構包含ZigBee協調器節點部分和以太網控制部分，協調器節點負責收集無線傳感網絡節點所采集到的數據，并處理收集的數據，將數據經內部處理打包傳輸給以太網控制單元，以太網控制單元模塊將數據轉換成以太網協議數據，使得數據能夠通過 Internet網絡和移動終端之間互相傳輸，實現與移動終端之間的數據交互。[4][5]

對于無線網關應該具有如下功能：（1）無線網關能夠管理無線傳感網絡節點，實現數據的收集、發送。（2）無線網關能儲存數據，實現數據的實時調用。（3）網關不僅要完成兩個協議之間數據的互聯互通，而且能夠保證高效、穩定、可靠的傳輸數據。（4）網關能夠實現接入以太網絡時網絡參數的靈活匹配。

2.2.2 網關總體方案設計

基于無線傳感網絡和以太網轉換的網關系統包括無線傳感網絡數據收集和以太網驅動實現兩部分。無線網關通過無線傳感網絡協調器節點收集 ZigBee網絡內的節點數據，并解析ZigBee網絡數據包，將數據包中的有效數據發送到網關控制部分，網關控制部分接收到數據包后，控制以太網驅動單元根據以太網協議進行數據轉換并發送數據包，最后通過Internet網絡將數據發送到移動終端，完成整個網絡的數據傳輸。（如圖1所示）

2.3 數據庫

SQLite是一種開源的、與底層無關的，輕量級的數據庫 ， 最大支持2048 GB的數據存儲，與其它大多SQL數據庫不同的是， SQLite沒有獨立的服務進程。 SQLite中的數據庫文件是跨平臺的，可以在32位和64位系統之間，甚至Big-Endian和Little-Endian兩種不同的架構之間自由的拷貝數據，SQLite數據庫被用在大量的消費類電子產品中 。

SQLite數據庫具有以下特點：（1）零配置。SQLite數據庫不需要安裝和管理配置，在系統崩潰或失電之后可自動恢復；（2）支持標準SQL。特別是SQLite支持視圖、觸發器，支持嵌套SQL；SQLite還具有事務處理功能；（3）無中間服務器。SQLite數據庫沒有中間服務器進程。在使用SQLite時，訪問數據庫的程序直接從磁盤上的數據庫文件讀寫；（4）精簡性。當尺寸優化后，在不減少功能的情況下，整個SQLite小于225kB。如果在編譯時去掉一些不需要的特征，能被減少到170kB；（5）存儲量大。最高能支持2TB的數據庫，運行速度比MySQL快1到2倍；（6）數據可自由共享。SQLite數據庫在PC機和嵌入式設備中采用相同的數據格式，其數據庫文件可以在PC機和嵌入式設備上自由共享；（7）無數據類型的限制。SQLite支持絕大部分的 SQL92標準，允許開發人員使用 SQL語句操作數據庫中的數據，但它不像MySQL、Oracle數據庫那樣需要安裝、啟動服務器進程，它是一種被嵌入到應用程序中的數據庫，它將存儲的數據都放在一個文件里面，這種方式非常適合移動終端平臺下的數據處理。SQLite的操作方式是一種很便捷的文件操作，應用程序只需打開一個文件進行讀寫操作即可。它不適合項目中有大量數據存儲及用戶并發儲存的場合，因為它的計算和存儲能力都不足以讓它充當服務器的角色。

SQLite支持目前Linux、Android、Windows、IOS等幾乎目前所有主流操作系統，同時對Java、C、C++等主流編程語言也支持完好。綜合它的小巧、易操作、易管理、易維護、占用資源少及查詢速度高等各方面優點，只會有更多的嵌入式設備都用它來進行數據存儲。

結合以上分析，本平臺終端最終選擇SQLite數據庫來實現移動終端的部分數據存儲及管理功能。SQLite數據庫是一個真正的輕量級的數據庫，它沒有所謂的后臺進程，整個數據庫就對應于一個幾百KB的文件，這樣可以非常方便地在不同設備之間移植。[6]-[9]

2.4 移動終端

2.4.1 Android平臺

Android 是 Google 于 2007 年開發的基于 Linux 平臺的、開源的、免費的、智能手機系統，也是一個專為移動設備設計的軟件平臺，它包括一個操作系統、中間件和一些關鍵性的平臺應用。而且還可被移植到不同的硬件平臺上去，目前發布的 Android SDK 提供了使用Java語言開發Android平臺應用的必要工具和API。

一般Android系統分為了移植開發和上層應用程序開發兩個不同的開發方向；手機廠商大多數從事移植開發工作，而上層的應用程序開發則一般由任一單位和個人完成，開發的過程可以基于真實的硬件系統，也可以基于仿真器環境。因為其免費開源，贏得了大多數開發者與廠商的喜愛。

在Android平臺中，應用程序之間可以進行非常方便高效的溝通。一個應用程序的組件可以在另一個應用程序中起作用，也可以將Android內置的組件替換成自己開發或修改的組件；而且經過簡單的聲明后，應用程序之間可以相互交互、訪問或調用對方的數據或功能來使用。

與其他平臺相比，安卓平臺提供了更多的即用型內置服務并且可以對應用程序實行自動化管理，如采用多層的安全措施將應用程序之間彼此分離，使智能電話的穩定性增強，這些功能有利于提高功能標準，同時降低開發成本，并針對低能耗、低內存的設備進行優化。

除此之外，安卓平臺還提供了豐富的開發環境包括設備模擬器、調試工具、內存及性能分析圖表和Eclipse集成開發環境插件。Android開發包SDK中包含了大量的類庫和開發工具。所有的開發代碼可以在ARM、X86和其他架構之間進行移植。[10]由于安卓平臺具有以上優點及特性，經過綜合考慮，選擇安卓平臺來搭建移動終端軟件。

2.4.2 移動應用開發流程

在著手開發應用軟件之前，應該把開發流程先確定好，這樣按步驟實行，既可以高效完成任務，又不容易出錯。首先開發者應對需求進行分析，做好市場調研，根據需求設計移動終端平臺上的基本功能模塊。接下來進行交互設計，主要設計應用軟件與用戶的互動界面，使其更加智能化。下一步應進行界面視覺設計，視覺設計會使得應用軟件更具操作性和靈活性，用視覺語言去解決邏輯問題，用最簡潔的色彩和圖片表達出最準確的內容。經過前幾個步驟，就可以根據靜態樣本進行代碼設計了。代碼設計是重中之重，通過計算機語言具體實現各個模塊的功能。實現每一個功能模塊完成之后要進行功能測試，完成后再把所有功能模塊架構到整體框架下進行整體測試，并進行代碼優化和修改。本系統的軟件開發流程如圖2所示。

2.4.3 功能模塊設計

移動終端所實現的功能主要是對工業現場數據的實時顯示，并可以在移動終端查詢一定時間范圍內的歷史數據。因此，功能模塊主要包括工業數據實時顯示模塊和歷史數據查詢模塊。圖3為系統的運行界面。

3 系統功能

系統在工作人員操作下，由無線傳感網絡節點采集工業數據，在移動終端即可實現對所有工業數據的實時監測。系統工作流程如圖4所示。

4 結束語

文章介紹了無線傳感網移動監測系統的設計方案，相對于傳統同現場的監測方案，該系統有著成本低、靈活度高、機動性高等諸多優勢，解決了傳統監測方案中布線難、維護難、成本高等諸多問題，具有創新性和市場應用價值，具有非常好的推廣前景。

參考文獻

[1]王驥.基于無線傳感器網絡的環境監測系統[J].傳感技術學報，2015，28（11）：1732-1740.

[2]Prabhudutta Mohanty，Manas Ranjan Kabat.Energy efficient structure-free data aggregation and delivery in WSN[J].Egyptian Informatics Journal，2016.

[3]楊萌.基于Zigbee技術的無線傳感網絡研究[J].電子技術與軟件工程，2015（1）.

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[6]劉婕.基于Android系統的移動終端通訊錄的研究與設計[D].2012：17.

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[8]黎陽子.基于Android平臺的移動醫療系統的研究與設計[D].2014：34.

[9]Moriki Yamamoto，Hisao Koizumi.An Experimental Evaluation using SQLite for Real-Time Stream Processing[J].

[10]馮馨.一種基于Android平臺移動學習系統研究與設計[D].2013：13.

作者簡介：張勇（1974-），男，吉林農安，碩士，副教授，研究方向：智能儀器及物聯網應用設計。