基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 曉，李 杰，邊裕挺

（浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州310023）

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠自主協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)其進(jìn)行處理，通過(guò)無(wú)線多跳的方式傳送給觀察者，方便遠(yuǎn)距離控制.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)快捷、靈活等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的研究?jī)r(jià)值和十分廣闊的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是影響人類(lèi)未來(lái)生活的十大新興技術(shù)之一［1］.將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)控，能夠突破傳統(tǒng)有線連接監(jiān)控方法的局限性，既解決了高成本，鋪線復(fù)雜，低靈活性，維護(hù)困難和影響作業(yè)環(huán)境等難題，在實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的同時(shí)還提高了監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)代化水平［2－5］.筆者設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集，實(shí)時(shí)監(jiān)控，歷史數(shù)據(jù)查詢、圖形化顯示等功能.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為兩層：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)及其管理軟件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)主要任務(wù)包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸.網(wǎng)絡(luò)部署完成后，節(jié)點(diǎn)將對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的環(huán)境溫度進(jìn)行采集，并通過(guò)多跳的方式傳輸至協(xié)調(diào)器.協(xié)調(diào)器一方面負(fù)責(zé)融合底層網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)并上傳到上位機(jī)管理系統(tǒng)；另一方面，協(xié)調(diào)器從管理軟件中接受命令，并下傳至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，做出相應(yīng)動(dòng)作.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System architecture

上位機(jī)管理軟件安裝在監(jiān)控主機(jī)上，負(fù)責(zé)接收協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)的環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的監(jiān)控策略進(jìn)行報(bào)警或者調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)采集策略，并將處理后的數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，以便日后查詢與處理.該軟件具有形成直觀的拓?fù)浔O(jiān)控視圖和數(shù)據(jù)曲線視圖功能，以及手動(dòng)更改網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置功能.

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)硬件主要包括三大模塊：處理器、無(wú)線集成模塊，數(shù)據(jù)采集模塊與電源模塊，節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Node hardware structure

處理器、無(wú)線集成模塊選用TI公司的CC2530F256芯片，CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，同時(shí)具有多種運(yùn)行模式，確保了低能源消耗.數(shù)據(jù)采集模塊包含環(huán)境溫度與自身電壓值采集.溫度傳感器采用精度高，體積小，使用方便的DS18B20.節(jié)點(diǎn)通過(guò)芯片自帶電壓采集功能，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換獲取實(shí)時(shí)電壓.

節(jié)點(diǎn)電源采用兩節(jié)5號(hào)干電池，通過(guò)TPS60211升壓至3.3V對(duì)路由器與節(jié)點(diǎn)供電.由于協(xié)調(diào)器需保證長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)機(jī)狀態(tài)，并且通過(guò)有線方式與監(jiān)控主機(jī)連接，故使用普通5V直流電源通過(guò)SE1117－3.3V降壓至3.3V供電.硬件實(shí)物如圖3所示.

圖3 硬件實(shí)物Fig.3 Hardware－in－kind

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)兩部分.無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線通信技術(shù)采用短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的，基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的Zig－Bee技術(shù)［6－7］.此外，我們采用樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)易于擴(kuò)展，故障排查方便，符合環(huán)境檢測(cè)應(yīng)用需要.本設(shè)計(jì)中，除電源模塊外，各節(jié)點(diǎn)的硬件組成基本相同，通過(guò)運(yùn)行不同的程序使其具有相應(yīng)的工作機(jī)制.

3.1 協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備，上電后，首先處理網(wǎng)絡(luò)初始化事件，選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，并啟動(dòng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，隨后連接PC并保持信號(hào)接收狀態(tài).協(xié)調(diào)器接收的信號(hào)分為有線與無(wú)線信號(hào)兩種.其中，有線信號(hào)為監(jiān)控主機(jī)上的管理軟件自動(dòng)或手動(dòng)發(fā)出的信號(hào)，包括更改某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集頻率，數(shù)據(jù)處理策略等.協(xié)調(diào)器在收到該類(lèi)信號(hào)后會(huì)向下逐層傳送，并做出相應(yīng)的動(dòng)作.無(wú)線信號(hào)來(lái)自無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，包括節(jié)點(diǎn)加入信號(hào)和傳感數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器則會(huì)做出相應(yīng)的配置新節(jié)點(diǎn)和上傳數(shù)據(jù)至PC操作.協(xié)調(diào)器的工作流程如圖4所示.

圖4 協(xié)調(diào)器工作流程Fig.4 Coordinator workflow

3.2 路由器

路由器的主要功能是：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)和多跳路由.由于本設(shè)計(jì)中選用樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，允許路由器間隔一定的周期操作一次，這樣就可以使用電池給其供電.

路由器成功啟動(dòng)后，首先處理網(wǎng)絡(luò)初始化事件，發(fā)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)并請(qǐng)求加入.如果接收到響應(yīng)信號(hào)，意味著該路由器已成功入網(wǎng)，否則需再次發(fā)出入網(wǎng)請(qǐng)求.由于使用樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)允許路由器適當(dāng)?shù)男菝?，路由器在入網(wǎng)成功后進(jìn)入休眠／喚醒輪轉(zhuǎn)狀態(tài)，達(dá)到降低功耗的目的.在喚醒階段，路由器可能收到控制信號(hào)和傳感數(shù)據(jù)兩種信號(hào).控制信號(hào)為由PC首發(fā)的信號(hào)，包含更改網(wǎng)絡(luò)設(shè)置的指令，需向下傳至目標(biāo)節(jié)點(diǎn).傳感數(shù)據(jù)為傳感節(jié)點(diǎn)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，需向上傳至父節(jié)點(diǎn)，使數(shù)據(jù)能最終通過(guò)協(xié)調(diào)器匯聚至監(jiān)控主機(jī).

3.3 傳感節(jié)點(diǎn)

傳感節(jié)點(diǎn)沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，且通常使用電池作為電源，在設(shè)計(jì)中，我們采用休眠機(jī)制，以降低功耗.傳感節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程和路由器類(lèi)似，睡眠結(jié)束后，如果節(jié)點(diǎn)接收到調(diào)整采樣頻率等下行控制命令，則先進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置更改后進(jìn)入環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)量階段，將環(huán)境數(shù)據(jù)向上發(fā)送至父節(jié)點(diǎn)后再次切換到睡眠模式，采用這種方法能顯著提高節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間.

3.4 上位機(jī)管理軟件

上位機(jī)管理軟件功能主要包括數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)顯示，報(bào)警和網(wǎng)絡(luò)控制.監(jiān)控主機(jī)保持始終監(jiān)聽(tīng)協(xié)調(diào)器狀態(tài)，將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，分離出節(jié)點(diǎn)號(hào)與各項(xiàng)環(huán)境值，并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)以供后期數(shù)據(jù)查詢與分析.系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖與歷史數(shù)據(jù)查詢曲線圖功能，使數(shù)據(jù)顯示更為直觀.當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)超出系統(tǒng)預(yù)設(shè)的上下限閾值，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警，實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控.同時(shí)，系統(tǒng)提供良好的網(wǎng)絡(luò)控制接口，用以更改無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)的采集頻率與數(shù)據(jù)處理模式.

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

我們?cè)谡憬I(yè)大學(xué)屏峰校區(qū)體育館附近部署了一些節(jié)點(diǎn)，搭設(shè)了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控主機(jī)設(shè)于廣知C樓，實(shí)現(xiàn)了在辦公室內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)控校園環(huán)境功能，圖5為一處現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景.

圖5 部署場(chǎng)景Fig.5 Deployment scenario

圖6為監(jiān)控界面顯示實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中頂端最大節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)器，中等大小的為路由器，最小的為傳感節(jié)點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)下方顯示的是該節(jié)點(diǎn)采集到的最新溫度與電壓.圖7為第7號(hào)節(jié)點(diǎn)2012年3月29日全天溫度曲線圖.

圖6 實(shí)時(shí)拓?fù)銯ig.6 Real－time topology

圖7 數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Data curve

5 結(jié) 論

基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離環(huán)境溫度檢測(cè)、傳輸與監(jiān)控，同時(shí)將所采集的溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，以供后期數(shù)據(jù)查詢、分析與處理.在保證良好的網(wǎng)絡(luò)效能的基礎(chǔ)上，通過(guò)使用休眠機(jī)制與選取合適的發(fā)射功率，降低功耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期.該系統(tǒng)具有低成本，低功耗，部署靈活，實(shí)用可靠等優(yōu)點(diǎn).下一步工作將主要集中在監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)的功能完善，同時(shí)進(jìn)一步研究休眠機(jī)制，達(dá)到節(jié)點(diǎn)傳輸距離與功耗之間的平衡.

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