無線傳感器節點數據采集及分布式遠程控制

顧逸楓，張正華*，沈 逸，蘇 權

(1.揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225000；2.揚州蘇水科技有限公司，江蘇 揚州 225000；3.揚州國脈通信發展有限責任公司，江蘇 揚州 225000)

0 引言

隨著無線傳感器網絡技術的不斷發展，人們獲取信息和處理信息的方式日新月異，人類世界、物理世界和計算機世界之間的聯系不斷加強[1]，其在軍事、民用、醫療和環境監測等領域發揮了極其重要的作用[2]。無線傳感器網絡建立在大量傳感器節點基礎上，并通過對不同傳感器技術和功能方面的完善來逐漸組成一個自由、靈動的網絡組織結構[3]。節點通過對區域環境的智能感知，采集相應信息，利用傳輸協議將數據信息輸送至接收端[4]，數據會通過數據接收器路由到中央服務器以進行處理、存儲、可視化和解釋[5]，此過程需要考慮無線傳感器節點的穩定性、能耗和體積等多個方面。目前的無線傳感器網絡主要有ZigBee網絡、WiFi網絡等，ZigBee技術主要適用于短距離傳輸，憑借其功耗低、成本低、時延短、可靠性高、安全性高和網絡容量大等特點[6]，在各個領域內都得到廣泛的應用。

遠程控制技術以計算機通信技術為基礎，二者通過信息反饋和數據處理，然后充分利用遠程控制軟件進入到服務終端，從而達到利用互聯網進行遠程控制的目的[7]。此技術具有不受時間空間約束的優點，對解放大量人力物力，最大化資源利用率起到重要作用。鑒于以上優點，各高校也紛紛建立遠程實驗平臺，其硬件體系結構可以非常靈活，并且可以使用許多不同的形式及其應用[8]，遠程技術的運用將越來越廣泛。

得益于無線傳感器網絡技術和遠程控制技術的發展，物聯網理論及應用水平不斷提高[9]。實施“互聯網+農業”“互聯網+水利”“互聯網+交通”等工程，對于探索物聯網理論研究、系統集成、重點領域、發展模式及推進路徑，促進生產方式轉變有重要意義[10]。本文構建了一種基于ZigBee的無線傳感器節點數據采集及分布式遠程控制系統，系統以遠程采集土壤氮磷鉀含量數據為例說明運行過程，該系統由網頁客戶端、服務器端、主機端和無線傳感器節點端構成，用戶遠程控制節點采集相應數據，通過主機端上傳數據至服務器端，網頁客戶端可觀察服務器端回傳的數據。

1 系統總體設計

系統主要由網頁客戶端、服務器端、主機端和無線傳感器節點端構成。無線傳感器節點端包括發送節點和協調器節點。系統總體設計如圖1所示。

圖1 統體系結構Fig.1 System architecture diagram

以遠程采集土壤氮磷鉀含量數據為例說明系統運行過程。用戶在網頁客戶端編寫代碼并提交，網頁客戶端通過socket通信將代碼發送到服務器，主機端通過MQTT協議訂閱該代碼，服務器將代碼轉發到主機端，主機將代碼編譯下載到實驗箱中，若代碼編譯失敗，主機會通過服務器將錯誤說明返回到網頁客戶端，若編譯通過，CC2530無線傳感器發送節點通過ZigBee無線傳輸技術將采集到的數據信息發送給協調器節點，協調器節點通過串口線將數據信息輸送至主機，服務器端通過MQTT協議訂閱該數據信息，并將接收到的數據信息存進數據庫，當網頁請求數據時，服務器從數據庫取出數據發送給網頁客戶端，網頁端實時顯示該數據。

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee無線模塊

ZigBee技術是一種新型的短距離無線通信技術，擁有自組織性、動態拓撲、低功耗和傳輸穩定等特點[11]，相比于藍牙等無線通信技術有不可比擬的優勢。ZigBee技術憑借這些先天性優勢，逐漸成為物聯網行業的主流技術，在工業、農業和智能家居等領域得到大規模應用[12]。在ZigBee技術應用下，技術人員在電子設備上設置多個節點，將其安裝至設備當中，使用計算機等信息技術，構建成一個完整的無線傳感器網絡系統[13]，在該系統的支持下，能夠更好地達到信息間傳遞的目的[14]。

本系統運用以CC2530為微控制器的ZigBee無線傳感網絡，CC2530發送節點用于接收信號源信息并對其進行數據格式處理，然后將數據通過點對點無線傳輸至CC2530協調器節點；CC2530協調器節點用于匯總接收到的各參數數據，然后通過無線節點調試接口板傳輸至主機端。具體連接方式如下：CC2530發送節點、協調器節點通過調試接口板、CC2530仿真器與主機相連，將程序編譯下載進相關節點，CC2530協調器節點通過232轉USB串口線將接收到的氮磷鉀數據發送給主機，通過串口顯示。

2.2 傳感器模塊

本系統硬件具有擴展性，可增加傳感器種類以測量更多的參數數據。系統選用485型土壤氮磷鉀三合一傳感器來檢測土壤中氮磷鉀的含量，選定合適的測量地點，避開石塊，確保鋼針不會碰到堅硬的物體，按照所需測量深度拋開表層土，保持下面土壤原有的松緊程度，緊握傳感器垂直插入土壤。485型土壤氮磷鉀三合一傳感器共有4根接線，棕色線為電源正(12～24 V DC)，黑色線為電源負，黃色線為485-A，藍色線為485-B，其中正負電源線外接12 V電源，負電源線、485-A、485-B與485轉TTL模塊一端相連，485轉TTL模塊另一端與CC2530發送節點的UART_TX，UART_RX，VDD，GND相連，這一部分用于CC2530發送節點發送問詢并獲取氮磷鉀三合一傳感器采集的數據。

ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，容量大[15]，本系統中可增加傳感器種類，測得的數據均發送給CC2530協調器節點進行匯總，最后均通過無線節點調試接口板傳輸至主機端。

硬件具體連接方式如圖2所示。

圖2 硬件連接Fig.2 Hardware connection diagram

3 系統軟件設計

3.1 無線傳感器節點端

無線傳感器節點端包括發送節點和協調器節點，程序主要實現無線傳感器數據采集功能，具體內容包括各類功能函數的定義及初始化、氮磷鉀數據的接收與發送、進制轉換和收發數據格式規定等。

CC2530發送節點板工作流程如圖3所示，首先配置好各參數的初始化值，按照規定數據幀格式發送問詢碼0x01 0x03 0x00 0x1e 0x00 0x03 0x65 0xcd，傳感器返回氮磷鉀數據，若成功返回，D7 LED燈閃爍。

圖3 發送節點流程Fig.3 Sending node flowchar

CC2530協調器節點板工作流程圖如圖4所示，協調器節點與發送節點通過ZigBee組成點對點無線傳輸網絡，當發送節點數據準備好后，協調器節點開始接收數據，若成功接收，協調器節點將該數據通過串口發送給PC機。

圖4 協調器節點流程Fig.4 Coordinator node flowchart

3.2 主機端

主機端負責實現如下功能：① 接收采集數據并發布數據；② 訂閱并下載學生代碼，編譯并下載代碼，發布編譯情況信息。

主機端包括串口監聽程序、bat文件批量處理程序、MQTT訂閱和發布程序。串口監聽程序，用于通過串口監聽顯示主機端接收到的信息采集模塊采集的氮磷鉀數據；bat文件批量處理程序，用于下載服務器端的代碼以及用命令行實現IAR文件的編譯、下載和執行；MQTT訂閱和發布程序，用于主機端訂閱服務器代碼以及發布氮磷鉀數據。主機端工作流程圖如圖5所示。

圖5 主機端工作流程Fig.5 Host-side work flowchart

3.3 服務器端

服務器端負責實現如下功能：① 建立與客戶端的Web Socket連接(多進程實現多個客戶端同時訪問同一服務器)；② 保存網頁上傳的代碼為具體文本，并發布代碼，訂閱學生代碼的編譯情況信息；③ 收到正確網頁請求后，發送學生代碼的編譯情況信息和相應數據到網頁端；④ 數據庫訂閱采集數據并存入數據表。

云端服務器包括MQTT服務器、SQL Server數據庫和Web Socket通信。MQTT服務器，其中WAMP Server用于快速安裝配置Web服務器，MQTT服務用于實現消息的訂閱和發布，HTTP服務用于主機端從服務器下載代碼；SQL Server數據庫，用于存儲數據，也可查看歷史數據；Web Socket通信，用于客戶端和服務器之間的數據交換，進行雙向數據傳輸。服務器端工作流程圖如圖6所示。

圖6 服務器端工作流程Fig.6 Server-side work flowchart

3.4 網頁客戶端

服務器端負責實現如下功能：① 用戶編寫、提交無線節點端所需代碼；② 實時顯示采集到的信號源信息。

用戶在網頁端點擊選擇文件按鈕后，選擇485.c代碼文件，隨后點擊上傳按鈕，通過構建multipart formdata的HTTP請求，借助FormData對象，實現文件上傳至云端。若代碼編譯失敗，主機會通過服務器將錯誤說明返回到網頁端，若編譯通過，485型土壤氮磷鉀三合一變送器通過串口將氮磷鉀數據發送給主機，主機將接收到的數據存入數據庫。網頁端調用Highcharts圖表庫，通過ajax技術實時訪問數據庫數據，從而以圖表的方式顯示實時更新的數據。

4 實驗結果與分析

為測試系統的實用性與穩定性，進行了多次試驗。

串口接收節點采集數據界面如圖7所示。串口顯示界面中，第1位為標志“*”，第2位為主機號，后6位為氮磷鉀數據，數據顯示為16進制，即0C1C為氮數據，0021為磷數據，0075為鉀數據。

圖7 串口顯示界面Fig.7 Serial display interface

數據庫界面如圖8所示。數據庫界面利用查詢功能，將主機號、當前時間以及氮磷鉀數據逐一顯示。

圖8 數據庫查詢界面Fig.8 Database query interface

網頁客戶端數據實時顯示界面如圖9所示。

圖9 網頁端顯示界面Fig.9 Web-side display interface

試驗結果表明，系統能夠實現用戶遠程控制基于ZigBee技術的無線傳感器節點進行數據采集的功能，并實時監測數據庫中保存的數據信息。對比基于傳統51單片機，HTTP，MQ，CoAP等協議的數據采集方案，系統具有以下優勢：采用基于CC2530的無線傳感器節點，節點可靠性高，具備良好的擴展性，抗干擾性強[16]，功耗低，應用范圍廣；服務器基于MQTT協議，使用發布/訂閱消息模式[17]，提供一對多的消息發布，解除應用程序耦合，使用TCP/IP提供網絡連接，小型傳輸，開銷很小[18]；系統將采集的數據上傳至云端數據庫，即可對歷史數據進行查看與比較，便于實驗人員對信號源進行實時監控與管理。

5 結束語

結合試驗數據可以看出，系統利用ZigBee技術、MQTT協議、Web Socket通信協議和SQL Server數據庫等實現了用戶遠程控制無線傳感器節點進行數據采集并保存進數據庫的功能，這有利于農業墑情、工業控制等各領域數據的遠程采集，并且可對歷史數據進行查看與比較，不受時間空間的限制。該系統還可應用于學校遠程實驗平臺等范圍，具有一定應用前景。但系統能夠測量的數據種類不夠豐富，今后將進行完善，嘗試學習ZigBee協議棧內容，優化整個系統。