基于ZigBee和以太網(wǎng)的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)*

黃召軍，張雍容，萬書芹，虞致國，魏 斌，陳子逢

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫，214035）

1 引言

ZigBee技術(shù)是一種低速、低功耗、自組網(wǎng)的無線通信技術(shù)，該特性特別適合于那些數(shù)據(jù)通信量不大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[1]。因此近年來全國物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，ZigBee技術(shù)也被越來越多地應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中。但是，ZigBee技術(shù)有其致命的缺點，即只能用于短距離傳輸。本文針對ZigBee技術(shù)的這一缺點，采用ZigBee技術(shù)結(jié)合以太網(wǎng)技術(shù)的方法，設(shè)計了基于ZigBee和以太網(wǎng)的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，它可以將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程監(jiān)控中心，用戶在千里之外就可以監(jiān)控和采集到其所要監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)。該系統(tǒng)充分結(jié)合了ZigBee技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點，使環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程傳輸?shù)哪康摹?/p>

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于ZigBee和以太網(wǎng)的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和遠程監(jiān)控中心三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)：ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)有兩個功能：一是負責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)，二是負責(zé)傳輸數(shù)據(jù)，即將環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

（2）網(wǎng)關(guān)：網(wǎng)關(guān)負責(zé)實現(xiàn)ZigBee和以太網(wǎng)之間的通信，即要實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)化，將ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)和將以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)。

（3）遠程監(jiān)控中心：遠程監(jiān)控中心負責(zé)配置環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器的采集參數(shù)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等，存儲并處理采集到的傳感器數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，根據(jù)ZigBee協(xié)議規(guī)定，它主要分為三種節(jié)點：協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點[1]。每個網(wǎng)絡(luò)中僅有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)組織和管理整個網(wǎng)絡(luò)，允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。路由器節(jié)點負責(zé)多跳路由，允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)和協(xié)助終端節(jié)點通信。終端節(jié)點沒有維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它只需要負責(zé)通信，因此，它可以進入休眠狀態(tài)，可以采用電池供電。路由器和終端節(jié)點上均連接有傳感器，它們也稱為傳感器節(jié)點，只是路由器不僅負責(zé)采集傳感器值，還負責(zé)路由其他節(jié)點的數(shù)據(jù)。

ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)要正常工作，僅靠ZigBee自組網(wǎng)是不行的，組網(wǎng)只是搭建了一個數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃ㄟ^通道的數(shù)據(jù)如何被識別和處理則是需要制定一個規(guī)則的，即定義數(shù)據(jù)包格式。節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)包后，可以識別該數(shù)據(jù)包類型，并做相應(yīng)的處理。ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包主要分為三種：節(jié)點自身信息、配置命令、傳感器采集數(shù)據(jù)。

節(jié)點自身信息是各個節(jié)點在成功加入網(wǎng)絡(luò)后，將自己的相關(guān)信息如節(jié)點類型（路由器節(jié)點、終端節(jié)點），MAC地址和網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心將接收到的每個節(jié)點的信息都存入到相關(guān)的數(shù)據(jù)庫中，在監(jiān)控中心要配置每個采集節(jié)點的參數(shù)時，這些信息是非常有用的。節(jié)點自身信息數(shù)據(jù)包的格式如圖2所示，各個部分的意義如下：

（1）DATA：標志頭，表示該數(shù)據(jù)包類型為數(shù)據(jù)，即ZigBee各節(jié)點發(fā)送給協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)長度：表示整個數(shù)據(jù)包所占的字節(jié)數(shù)，該值在協(xié)調(diào)器提取該數(shù)據(jù)包時非常有用。

（3）數(shù)據(jù)類型：表示該數(shù)據(jù)包的類型，每種類型的數(shù)據(jù)包都有唯一一個值來表示其類型。

（4）節(jié)點類型：表示本節(jié)點的類型，即本節(jié)點是終端節(jié)點還是路由器節(jié)點，每個節(jié)點的類型是在設(shè)計該節(jié)點時由設(shè)計者指定的。

（5）MAC地址：本節(jié)點的MAC地址，MAC地址如同以太網(wǎng)的IP地址一樣，要確保網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的MAC地址的唯一性。

（6）短地址：短地址也叫網(wǎng)絡(luò)地址，節(jié)點在加入網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)會按照一定的算法給該節(jié)點分配一個網(wǎng)絡(luò)地址，同一個網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址也是唯一的。

圖2 節(jié)點自身信息數(shù)據(jù)包格式

配置命令主要由監(jiān)控中心發(fā)出，在ZigBee組網(wǎng)成功后，監(jiān)控中心發(fā)出的配置命令通過協(xié)調(diào)器發(fā)送給ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點，各采集節(jié)點接收到配置命令后，配置自身參數(shù)。配置的參數(shù)包括：節(jié)點發(fā)射功率、選擇采集節(jié)點中工作的傳感器、傳感器采集頻率設(shè)置、傳感器采集使能、終端節(jié)點休眠時間配置、休眠使能、啟動傳感器采集命令。ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)只有先配置了這些參數(shù)后才能正常啟動。配置命令的數(shù)據(jù)包格式如圖3所示，各個部分的意義如下：

（1）COMD：標志頭，表示該數(shù)據(jù)包類型為配置命令，即監(jiān)控中心通過協(xié)調(diào)器發(fā)送給ZigBee各節(jié)點的配置采集節(jié)點參數(shù)的命令。

（2）命令長度：表示整個數(shù)據(jù)包所占的字節(jié)數(shù)，該值在ZigBee各節(jié)點提取該數(shù)據(jù)包時非常有用。

（3）命令類型：該值用于表示該命令是用于配置何種參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)中需要通過配置命令配置的參數(shù)主要有：節(jié)點發(fā)射功率，選擇采集節(jié)點中工作的傳感器，傳感器采集頻率設(shè)置，傳感器采集使能，終端節(jié)點休眠時間配置，休眠使能，啟動傳感器采集命令。每一個參數(shù)值都對應(yīng)一個唯一的值，表示一種命令。

（4）數(shù)據(jù)：用于配合各個配置命令，如配置傳感器采集頻率，配置選擇傳感器，配置發(fā)射功率，配置休眠時間，該空間可用于放置采集頻率值、所選擇的傳感器地址、發(fā)射功率值、休眠時間值。

圖3 配置命令數(shù)據(jù)包格式

傳感器采集數(shù)據(jù)的信息包是由傳感器采集節(jié)點采集到傳感器值后，發(fā)送給協(xié)調(diào)器，通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心。ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)啟動后，傳感器采集節(jié)點按照配置的采集頻率采集所選擇的傳感器值并發(fā)送給協(xié)調(diào)器。采集節(jié)點發(fā)送的傳感器采集數(shù)據(jù)信息包如圖4所示：

（1）DATA：標志頭，表示該數(shù)據(jù)包類型為數(shù)據(jù)，即ZigBee各節(jié)點發(fā)送給協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)長度：表示整個數(shù)據(jù)包所占的字節(jié)數(shù)，該值在協(xié)調(diào)器提取該數(shù)據(jù)包時非常有用。

（3）數(shù)據(jù)類型：表示該數(shù)據(jù)包的類型，每種類型的數(shù)據(jù)包都有唯一一個值來表示其類型。

（4）MAC地址：本節(jié)點的MAC地址，因為MAC地址如同以太網(wǎng)的IP地址一樣具有唯一性，所以采用MAC地址來標志該傳感器數(shù)據(jù)包來自何種節(jié)點。

（5）數(shù)據(jù)：采集到的傳感器數(shù)據(jù)的存儲空間，大小為N個字節(jié)，N值的大小由工作的傳感器個數(shù)來決定，數(shù)據(jù)格式為：M*（傳感器地址＋傳感器值），M為所選擇的傳感器個數(shù)。

圖4 傳感器采集數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包格式

2.2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計

uClinux操作系統(tǒng)是Linux系統(tǒng)的一個分支，它是針對沒有MMU管理單元的微控制器而設(shè)計的Linux系統(tǒng)。uClinux繼承了標準Linux的優(yōu)良特性，具有內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、支持多種文件系統(tǒng)的特點，它帶有一個完整的TCP/IP協(xié)議，同時還支持許多其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。uClinux對于嵌入式系統(tǒng)來說是一個網(wǎng)絡(luò)完備的操作系統(tǒng)，因此，它廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，例如VPN路由器/防火墻、家用操作終端、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、IP電話、工業(yè)控制器、Internet攝像機、PDA設(shè)備等。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點用于實現(xiàn)ZigBee協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)化，在監(jiān)控中心發(fā)送配置命令時，網(wǎng)關(guān)負責(zé)將以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)，然后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將配置命令發(fā)送給傳感器采集節(jié)點。當節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后或者采集到數(shù)據(jù)后，發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過網(wǎng)關(guān)將ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)，然后通過以太網(wǎng)發(fā)送給遠程監(jiān)控中心。網(wǎng)關(guān)節(jié)點由Xilinx公司的XC3S500E Spartan-3E FPGA開發(fā)板作為硬件平臺，在該平臺上采用uClinux操作系統(tǒng)實現(xiàn)。網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。網(wǎng)關(guān)通過UART接口與ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，通過以太網(wǎng)接口與遠程監(jiān)控中心交換數(shù)據(jù)。

圖5 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)通過串口與網(wǎng)關(guān)交換數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式與ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)格式相同，在此不再復(fù)述。而重點描述在以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)格式。

監(jiān)控中心通過以太網(wǎng)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)格式如圖6所示，各個數(shù)據(jù)字段的定義如下：

（1）標志頭：標志頭用STA來表示。

（2）命令長度：為整個數(shù)據(jù)包的實際長度。

（3）命令類型：表示該命令的類型，與配置命令中相應(yīng)的命令類型的意義相同。

（4）數(shù)據(jù)：與配置命令中相應(yīng)的數(shù)據(jù)的意義相同。

（5）結(jié)束標志：結(jié)束標志用END來表示。

圖6 監(jiān)控中心發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)包格式

網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)發(fā)送給遠程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)格式如圖7所示，各個數(shù)據(jù)字段的定義如下：

（1）標志頭：標志頭用STA來表示。

（2）數(shù)據(jù)長度：為整個數(shù)據(jù)包的實際長度。之所以稱為數(shù)據(jù)，是因為網(wǎng)關(guān)發(fā)送給監(jiān)控中心的都是節(jié)點自身信息或者傳感器采集數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)類型：表示該數(shù)據(jù)包的類型，目前該數(shù)據(jù)包的類型只可能有兩種：節(jié)點自身信息、傳感器采集數(shù)據(jù)。

（4）有效數(shù)據(jù)：與配置命令中相應(yīng)的數(shù)據(jù)的意義相同。對于節(jié)點自身信息，該部分對應(yīng)：節(jié)點類型＋MAC地址＋短地址，對于傳感器采集數(shù)據(jù)，該部分對應(yīng)：MAC地址＋M*（傳感器地址＋傳感器數(shù)據(jù)），M為所選擇的傳感器個數(shù)。

（5）結(jié)束標志：結(jié)束標志用END來表示。

圖7 網(wǎng)關(guān)發(fā)送給遠程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)格式

2.3 遠程監(jiān)控中心設(shè)計

遠程監(jiān)控中心主要用于控制和配置ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測和處理各種傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)初始化時，ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器首先建立網(wǎng)絡(luò)，采集節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，立即發(fā)送自身信息給遠程監(jiān)控中心，監(jiān)控中心存儲各個采集節(jié)點的數(shù)據(jù)（節(jié)點類型、MAC地址、短地址），監(jiān)控中心開始配置ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。配置完畢后，啟動采集系統(tǒng)，各個參考節(jié)點將采集到的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進行存儲和處理。監(jiān)控中心只需要一臺PC機，它的監(jiān)控平臺是我們設(shè)計的ZWSN無線數(shù)據(jù)采集平臺軟件，該軟件采用VB開發(fā)，其主要功能結(jié)構(gòu)如圖8所示，描述如下：

（1）socket網(wǎng)絡(luò)接口：以太網(wǎng)采用socket協(xié)議，采用服務(wù)器/客戶機模式，監(jiān)控中心為服務(wù)器端，它配置并連接網(wǎng)關(guān)，主要通過選擇網(wǎng)關(guān)的IP地址和端口號來實現(xiàn)連接網(wǎng)關(guān)[2]；

（2）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點配置系統(tǒng)：用于配置ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點的參數(shù)，包括節(jié)點發(fā)射功率，低功耗參數(shù)，模擬通道傳感器參數(shù)，數(shù)字通道傳感器參數(shù)等，從而使系統(tǒng)能夠正常工作；我們設(shè)計了節(jié)點配置數(shù)據(jù)庫，以便存儲對每個節(jié)點的配置參數(shù)，在需要時我們可以查詢對每個節(jié)點的配置情況；

（3）采集數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)：對于接收到的傳感器數(shù)據(jù)，根據(jù)地址類型，存儲到數(shù)據(jù)庫中，并且存儲時添加采集時間到數(shù)據(jù)庫中，以備以后用戶在需要時對數(shù)據(jù)進行查詢等操作；

（4）數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)：主要提供對已采集到的數(shù)據(jù)進行查詢，由于我們使用的傳感器分為數(shù)字傳感器和模擬傳感器，它們被存儲到了不同的數(shù)據(jù)庫中，所以我們在查詢的時候，也就分為數(shù)字傳感器數(shù)據(jù)查詢和模擬傳感器數(shù)據(jù)查詢。查詢的條件主要包括：按節(jié)點類型，按傳感器值范圍，按傳感器數(shù)據(jù)采集時間和選擇排序類型等，并且可以按照用戶需求，任意組合這些查詢條件以便快速準確地找到用戶關(guān)心的數(shù)據(jù)。

（5）報表系統(tǒng)：報表的類型分為日報表和月報表，日報表用于對一天的采集數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個報表，月報表用于統(tǒng)計每月的采集數(shù)據(jù)；該系統(tǒng)主要分為報表生成、報表查看和報表打印三個操作；

（6）實時曲線顯示系統(tǒng)：主要提供對實時數(shù)據(jù)生成曲線趨勢圖，將實時數(shù)據(jù)、以曲線的形式顯示出來，從而直觀地觀察所監(jiān)測環(huán)境參數(shù)目前的發(fā)展趨勢。

（7）幫助文件系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要是調(diào)出工具使用參考說明書，以供查詢用戶需要了解的信息。

軟件界面如圖9所示，它主要由如下五大部分組成：

（1）命令菜單：命令菜單主要包括發(fā)送配置ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)的各個命令，查詢網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的配置參數(shù)，查詢采集數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)，生成報表，查看軟件的幫助信息和退出軟件等功能。

（2）曲線界面操作區(qū)：該區(qū)有多個命令按鈕，用于對實時曲線顯示區(qū)進行操作，包括放大/縮小曲線顯示區(qū)、打印曲線顯示區(qū)、復(fù)制曲線顯示區(qū)等等。

（3）實時曲線顯示區(qū)：用于實時生成所要顯示的傳感器數(shù)據(jù)的趨勢線。

（4）添加刪除曲線區(qū)：該區(qū)域有的命令按鈕用于向?qū)崟r曲線顯示區(qū)添加要顯示的傳感器，或者從實時曲線顯示區(qū)中刪除已經(jīng)存在的傳感器曲線。

（5）狀態(tài)欄：主要用于顯示軟件的當前狀態(tài)，如軟件工作的當前日期、時間、軟件所屬公司等信息。

（6）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點查詢區(qū)：該區(qū)用于查詢ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點，用戶可根據(jù)數(shù)據(jù)類型查詢相應(yīng)的節(jié)點。

3 系統(tǒng)測試

基于ZigBee和以太網(wǎng)的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在所有部分都設(shè)計完畢后，連接系統(tǒng)進行測試。在ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)成功后，配置節(jié)點采集30000001工作，配置選擇該節(jié)點上連接的三種傳感器數(shù)據(jù)：溫度、濕度和虛擬的ADC通道0采集的數(shù)據(jù)。設(shè)置采集頻率為5s，系統(tǒng)運行后采集到的傳感器曲線如圖10所示。由圖中我們可以看到，溫度值為25℃，濕度為73，ADC采集值為122。經(jīng)過測試，系統(tǒng)連續(xù)工作三天均未出現(xiàn)任何問題。

圖8 監(jiān)控中心軟件功能結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

基于ZigBee和以太網(wǎng)的遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是一種嵌入式傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它結(jié)合了ZigBee技術(shù)和以太網(wǎng)技術(shù)，充分利用了ZigBee技術(shù)在數(shù)據(jù)采集方面的優(yōu)勢和以太網(wǎng)在長距離傳輸方面的優(yōu)勢，使該系統(tǒng)解決了一般的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不能實現(xiàn)長距離傳輸或者布線麻煩的問題。該系統(tǒng)主要分成三個部分：ZigBee采集網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和遠程監(jiān)控中心，通過對這三個部分的精心設(shè)計，優(yōu)化了部分參數(shù)，實現(xiàn)了一個采集系統(tǒng)的全部功能，測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)工作良好，能夠滿足正常的數(shù)據(jù)采集需要。

圖9 軟件界面

圖10 軟件界面的測試結(jié)果

［1］董亞超.基于ZigBee技術(shù)的無線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)[D].大連:大連理工大學(xué)，2008.

［2］高俊光，趙崇輝，施真芳.基于VB的Winsock控件的原理與應(yīng)用[J].應(yīng)用科技，2004，31（3）：12.14.