基于ZigBee技術的公共實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)

李志博

(天津理工大學，基礎實驗實訓中心, 天津 300350)

0 引言

當前，公共實驗室與實驗儀器數(shù)量顯著提升，為保障公共實驗室的穩(wěn)定運行以及實驗室內實驗儀器的安全性[1]，公共實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究成為保障公共實驗室安全與管理的熱點課題[2]。當前普遍使用的遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要有基于ARM平臺的遠程監(jiān)控系統(tǒng)[3]和基于云數(shù)據(jù)處理的分布式光纖應變遠程監(jiān)測系統(tǒng)[4]。這些系統(tǒng)主要通過有線網(wǎng)絡構建傳感器組網(wǎng)進行環(huán)境的感測，實現(xiàn)遠程監(jiān)控與管理。有線網(wǎng)絡的主要優(yōu)勢在于網(wǎng)絡鏈路的高穩(wěn)定性，但有線網(wǎng)絡需進行布線與安裝等環(huán)節(jié)，布線費用昂貴、維修困難、難于擴展和移動，甚至某些情況下無法布線成功，且系統(tǒng)的抗毀性較差，一旦主控芯片出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)面臨崩潰。針對這一問題，設計基于ZigBee技術的公共實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)，利用ZigBee技術有效地解決組網(wǎng)移動性限制等問題，同時利用ZigBee技術設計公共實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)，利用合理的布局還能夠防止出現(xiàn)監(jiān)控盲區(qū)[5]，傳輸距離遠，功耗低，且使用ZigBee技術單次傳輸數(shù)據(jù)量較小，信號的收發(fā)時間短，效率較高。

1 公共實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

1.1 ZigBee網(wǎng)絡拓撲

ZigBee技術是一種無線自組網(wǎng)技術，能夠按照用戶核心需求的差異構建具有不同拓撲結構的網(wǎng)絡。ZigBee網(wǎng)絡的主要拓撲結構為星型網(wǎng)、樹簇狀網(wǎng)和對等網(wǎng)[6]。其中對等拓撲網(wǎng)絡屬高級別的冗余性網(wǎng)絡，其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在其自主修復功能方面[7]。對等拓撲網(wǎng)絡內任一設備均能夠同射頻范圍內其他設備進行通信連接，經(jīng)由路由中繼實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，以此擴展網(wǎng)絡覆蓋范圍。基于此，基于ZigBee技術的公共實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計過程中，從不同公共實驗室差異性角度出發(fā)，采用對等拓撲網(wǎng)絡，不僅可改善網(wǎng)絡消耗顯著的缺陷，且能夠解決部分監(jiān)控點通信距離過長導致的通信盲區(qū)問題。圖1所示為對等拓撲網(wǎng)絡結構，其中，白色方塊、灰色方塊和黑色方塊分別表示ZigBee協(xié)調器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡拓撲—對等網(wǎng)

1.2 系統(tǒng)整體結構

采用圖1所示的對等拓撲網(wǎng)絡設計基于ZigBee技術的公共實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)整體結構如圖2所示。其由ZigBee網(wǎng)絡模塊、嵌入式網(wǎng)關和遠程監(jiān)控服務器共同組成。此ZigBee網(wǎng)絡模塊選用CC2530芯片作為微處理器，該處理器能夠實現(xiàn)150m范圍內點對點的通信連接[8]。ZigBee網(wǎng)絡模塊內包含數(shù)量不等的ZigBee終端節(jié)點和一個ZigBee協(xié)調器，前者的主要功能是采集溫度、濕度、光照、煙霧、電力、紅外等傳感器數(shù)據(jù)，并控制相關聯(lián)動設備進行聲光報警與電源開關等操作[9]；后者的主要功能是匯聚ZigBee網(wǎng)絡內不同終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，利用RS-232接口將數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式網(wǎng)關內，并將網(wǎng)關的控制命令傳輸至不同ZigBee終端節(jié)點內。

嵌入式網(wǎng)關采用Cortex-A8微處理器，主要功能是實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡與以太網(wǎng)間的數(shù)據(jù)交換，采集監(jiān)控視頻，并負責數(shù)據(jù)融合與請求仲裁等[10]。

嵌入式網(wǎng)關通過以太網(wǎng)與遠程監(jiān)控器相連，將獲取的監(jiān)控信息傳輸至遠程監(jiān)控器內，利用服務管理系統(tǒng)對監(jiān)控信息進行存儲與分析處理。當處理結果顯示當前數(shù)據(jù)與以往相比存在明顯異常時，可利用聲光報警、手機短信與電子郵件等方式向相關人員發(fā)生警報。

1.3 監(jiān)控報警流程設計

系統(tǒng)設計的主要目的是對公共實驗室的環(huán)境進行遠程監(jiān)控，對監(jiān)控數(shù)據(jù)異常波動進行報警。以Z-STACK協(xié)議棧為基礎設計系統(tǒng)報警程序[11]，通過OSAL(Operating System Abstraction Layer，操作系統(tǒng)抽象層)操作系統(tǒng)實現(xiàn)不同類型時間的響應。系統(tǒng)運行過程中ZigBee環(huán)境感測節(jié)點與防盜視頻監(jiān)控信息處理流程如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)整體結構

圖3 ZigBee節(jié)點與防盜信息報警流程

圖3內，根據(jù)周期事件觸發(fā)節(jié)點方式[12]，實現(xiàn)ZigBee環(huán)境感測節(jié)點采集公共實驗室環(huán)境信息流程中信息的采集、判斷與事件標志位的設定；信息處理流程的主要功能是接收事件標志位判斷結果與ZigBee網(wǎng)絡指令數(shù)據(jù)，同時依照接收的信息實現(xiàn)節(jié)點動作響應。

1.4 基于測距的定位技術

圖3所示報警流程中設置事件標志位所采用的是基于測距的定位技術，該技術根據(jù)測量與判斷未知節(jié)點同已知節(jié)點間的距離，依照集合關系確定節(jié)點相對位置。該技術的核心在于測距[13]，普遍采用測距方法有接收信息強度指示法、信號到達時間差法和信號往返時間法。

(1) 接收信號強度指示法是基于已知發(fā)射節(jié)點發(fā)射信號強度，根據(jù)接收節(jié)點接收的信號強度確定信號在傳輸過程中的損耗；基于信號傳播模型，通過信號損耗與距離之間的轉換進行定位。該方法的對數(shù)——常態(tài)模型為

(1)

式中，PL(d)和PL(d0)分別表示距離發(fā)射節(jié)點d處的路徑損耗和經(jīng)過距離d0后的路徑損耗，n和Xσ分別表示路徑損耗指數(shù)和與均值為0的噪聲。基于式(1)依照路徑損耗確定距離d。

(2) 信號到達時間差法主要是發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射2種傳播速度有所差異的無線信號，接收節(jié)點依照各信號到達時間差與各信號傳播速度能夠確定發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點的距離d[14]。發(fā)射節(jié)點發(fā)射2種無線信號的時間用T0描述，接收節(jié)點接收各信號的時間分別用T1和T2描述，用V1和V2分別表示2種信號的傳播速度，則下式可描述距離d：

(2)

信號到達時間差法的測距精度較高，且能夠改善需要精確時間同步的問題，在計算過程中較為簡易。但其同樣具有傳感器接收信號時需配備額外硬件的缺陷，不僅提升的系統(tǒng)成本還提升了系統(tǒng)的能耗。

(3) 利用信號往返時間法進行測距主要是基于不同時鐘域內的發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點，經(jīng)由確定往返時間、扣除處理延時等過程確定發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點間的距離，公式描述如下：

(3)

式中，T0、T3和T1、T2分別表示發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點的時鐘域。

在系統(tǒng)實際定位過程中，有針對性的在上述3種測距算法中選擇測距算法，能夠提升系統(tǒng)測量精度。在確定發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點間的距離后，通過三邊定位與多邊定位算法進行節(jié)點定位。

三邊定位技術是根據(jù)3個已知的參考節(jié)點坐標以及這3個節(jié)點與未知節(jié)點的距離，計算位置界定坐標的過程[15]。用A(x1,y2)、B(x2,y2)、C(x3,y3)和N(x,y)分別表示3個參考節(jié)點的坐標和未知節(jié)點坐標，用r1、r2、r3分別表示3個參考節(jié)點和未知節(jié)點間的距離，則根據(jù)式(4)能夠確定未知節(jié)點的坐標：

(4)

式中，參考節(jié)點坐標(xi,yi)與距離ri能夠確定3個圓的唯一相交點，即未知節(jié)點坐標。式(5)中3個圓無法相交于唯一點，因此可利用多邊定位的極大似然估計法確定未知節(jié)點坐標。依照多邊定位判斷子X=A-1b，能夠確定未知節(jié)點坐標為

(5)

以三邊定位為基礎的多變定位算法能夠最大限度上利用未知節(jié)點獲取的參考節(jié)點坐標確定其自身位置坐標。用(x1,y1)、(x2,y2)、……、(xn,yn)表示參考節(jié)點A1、A2、……、An的位置坐標，r1、r2、……、rn表示位置幾點到不同參考節(jié)點的距離，則可得到：

(6)

對式(6)進行優(yōu)化，能夠得到式(7)：

(7)

將式(7)轉換為線程方程形式AX=b，其中：

(8)

2 應用測試

實驗為驗證本文所設計的基于ZigBee技術的公共實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)在實際應用過程中的應用性能，選取我國某高校化學系碩士研究公共實驗室為應用對象，在遠離監(jiān)控對象的辦公樓內搭建本文系統(tǒng)后，利用本文系統(tǒng)對應用對象進行遠程監(jiān)控應用測試，測試結果如下。

2.1 ZigBee網(wǎng)絡感測分析

網(wǎng)絡感測分析的主要內容是在模擬應用對象內部各項監(jiān)控指標不同出現(xiàn)異常的條件下，測試本文系統(tǒng)響應情況。網(wǎng)絡感測過程中，需人為地將應用對象內各類監(jiān)控指標參數(shù)調整到預警閾值(溫度預警閾值為40 ℃、電流預警閾值為32 A、紅外檢測分為有人與無人2種情況，濕度預警閾值為15%)以上，觀測本文系統(tǒng)顯示的信息與相應響應情況，結果如圖4所示。分析圖4得到，本文系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點感測到應用對象內部各項監(jiān)測指標產(chǎn)生變化，各節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)小幅高于設定預警閾值(紅外檢測節(jié)點顯示有人)時，能夠利用網(wǎng)絡傳輸協(xié)調信息。同時，針對除紅外檢測節(jié)點外其它節(jié)點能夠進行切斷供應電源燈操作與控制。以上分析結果說明本文系統(tǒng)的網(wǎng)絡感測精度較高，滿足公共實驗室安全監(jiān)控的智能化與高精度監(jiān)控需求。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸誤差分析

為測試本文系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸性能，利用SmartRF Studio應用程序測試本文系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)性能，測試環(huán)境分別設置為無障礙和有障礙2種，在設定好不同測試環(huán)境中發(fā)送節(jié)點的信道頻率、發(fā)射功率以及發(fā)射數(shù)據(jù)包長度后進行測試，測試結果如圖5所示。分析圖5(a)得到，在無障礙條件下，本文系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸過程中，接收功率損耗最高可達-38 dBm左右；誤碼率在測試距離為15的條件下基本可忽略，在測試距離為25的條件下，基本控制在2%以內。分析圖5(b)得到，在有障礙條件下，本文系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸過程中，接收功率損耗基本控制在-30 dBm～-45 dBm之間；誤碼率低于3.5%。圖5內數(shù)據(jù)顯示，本文系統(tǒng)強大的數(shù)據(jù)傳輸性能完全能夠滿足公共實驗室遠程監(jiān)控需求。

圖4 網(wǎng)絡感測結果

(a) 無障礙

(b) 有障礙

2.3 系統(tǒng)運行穩(wěn)定性分析

實驗為驗證本文系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用本文系統(tǒng)、文獻[3]系統(tǒng)和文獻[4]系統(tǒng)對應用對象進行監(jiān)控，在無障礙實驗環(huán)境下，記錄不同數(shù)據(jù)量條件下系統(tǒng)的運行中斷概率，結果如圖6所示。由圖6能夠得到，在監(jiān)控數(shù)據(jù)量低于15 GB時，本文系統(tǒng)平均中斷概低于0.02%。隨著監(jiān)控數(shù)據(jù)量推升，本文系統(tǒng)的平均中斷概率也逐漸提升。在監(jiān)控數(shù)據(jù)量達到30 GB時，本文系統(tǒng)的平均中斷概率低于0.05%。實驗數(shù)據(jù)說明本文系統(tǒng)平均中斷概率曲線增長變化較平緩，其他2種系統(tǒng)的運行中斷概率遠遠高于本文系統(tǒng)，說明本文系統(tǒng)對應用對象監(jiān)控時具有較好穩(wěn)定性。

2.4 系統(tǒng)運行時延分析

為驗證本文系統(tǒng)的實時性，在無障礙實驗環(huán)境下，記錄不同系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的時延，結果如圖7所示。

圖6 平均中斷概率測試結果

圖7 數(shù)據(jù)傳輸時延結果對比

由圖7可知，本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時延隨著數(shù)據(jù)量增加也有所增多，但與其他系統(tǒng)相比，時延較少，保持在170 ms內，且呈現(xiàn)較平穩(wěn)的趨勢，具有較好的實時性。

3 總結

本文設計基于ZigBee技術的公共實驗室遠程監(jiān)控系統(tǒng)，利用ZigBee技術設計無線傳感器組網(wǎng)，實現(xiàn)公共實驗室溫度、濕度、電力等安全因素的實時監(jiān)控，并利用遠程網(wǎng)絡接口實現(xiàn)系統(tǒng)與管理人員的遠程交互。應用測試結果顯示本文系統(tǒng)具有較高的網(wǎng)絡感測與數(shù)據(jù)傳輸精度。在系統(tǒng)后續(xù)優(yōu)化過程中，將構建一個專業(yè)數(shù)據(jù)庫用于監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲與讀取，并在本文系統(tǒng)嵌入式網(wǎng)關和遠程監(jiān)控服務器內分別加設Web服務器和視頻服務器，經(jīng)由Web的形式為用戶提供與系統(tǒng)的交互操作界面，提升系統(tǒng)友好度。