傳感網(wǎng)通用數(shù)據(jù)感知獲取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任麗晴，張 遠(yuǎn)，尹小燕，黃駿杰，邢天璋，房鼎益

(西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710127)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(wireless sensor network)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)以無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息，并發(fā)送到遠(yuǎn)程用戶端。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，廣泛應(yīng)用于軍事、遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、智能家居、建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉(cāng)庫(kù)管理以及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域［1－5］。針對(duì)以上應(yīng)用場(chǎng)景，需要感知的數(shù)據(jù)種類繁多，采集這些數(shù)據(jù)需要在傳感器通信節(jié)點(diǎn)上擴(kuò)展多種多樣的感知元件，而這些元件的信號(hào)與數(shù)據(jù)模式、數(shù)據(jù)采集速率、接口形態(tài)、激勵(lì)方式等都各不相同。當(dāng)擴(kuò)展新的感知元件時(shí)，如果每次都重新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集調(diào)理電路，會(huì)耗費(fèi)設(shè)計(jì)者較多的時(shí)間精力，而且同時(shí)擴(kuò)展多個(gè)感知元件時(shí)，連接與轉(zhuǎn)換會(huì)異常復(fù)雜，不便于靈活使用和擴(kuò)展，也不符合可重復(fù)利用和綠色環(huán)保的原則。

因此，針對(duì)基于Zigbee協(xié)議的低功耗傳感網(wǎng)基本通信節(jié)點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱通信節(jié)點(diǎn))，設(shè)計(jì)傳感網(wǎng)通用數(shù)據(jù)感知獲取系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱感知系統(tǒng))，方便和優(yōu)化傳感網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用，是一件非常有意義的事情［6－8］。為了保證感知系統(tǒng)的通用性，很好橋接感知元件和通信節(jié)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)必須滿足以下兩個(gè)原則［9］:1)感知系統(tǒng)預(yù)留的接口形式、通信模式、提供的激勵(lì)方式等必須與常用的感知元件相互兼容，滿足其正常的工作需求;2)感知系統(tǒng)使用的通信協(xié)議也必須與通信節(jié)點(diǎn)匹配。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，利用感知系統(tǒng)獲得環(huán)境信息之后，需要進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并建立實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)，若保護(hù)對(duì)象處在不利環(huán)境下要能及時(shí)提醒監(jiān)測(cè)人員采取相應(yīng)措施［5，10］，本文借鑒文獻(xiàn)［11］中的事件檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)報(bào)警。

1 感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

感知平臺(tái)建立在基本傳感器通信節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，需與其配套使用。感知系統(tǒng)在通信節(jié)點(diǎn)的控制下通過(guò)外部感知設(shè)備采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將不同類型的感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)包，通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送出去。通信節(jié)點(diǎn)之間相互通信，最終將采集的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器端進(jìn)行解碼和存儲(chǔ)，并對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)分類顯示和分析處理。

1.1 平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

感知平臺(tái)主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲(chǔ)模塊、I/O擴(kuò)展模塊和電壓轉(zhuǎn)換模塊組成。

1.1．1 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì) 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的基本功能是將多種傳感器同時(shí)感知的多路模擬信號(hào)量(不論是單端輸入還是差分輸入)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)量。此外，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊還需要與傳感器節(jié)點(diǎn)通信，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)量正確傳遞給通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行后期處理。本模塊的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用 TI公司的 ADS8344［12］，該芯片功耗低，轉(zhuǎn)換效率高，精度滿足通常的應(yīng)用需求，可輸入通道數(shù)較多，且信噪比較高。芯片需要接入外部時(shí)鐘和外部參考電壓:外部時(shí)鐘DCLK由通信節(jié)點(diǎn)的ALE端口提供;外部參考電壓Vref由外部穩(wěn)壓芯片提供。穩(wěn)壓芯片選用Semiconductor公司的 2.5V三端穩(wěn)壓芯片MMBZ5222［13］，該芯片成本較低且穩(wěn)定性好。穩(wěn)壓芯片的輸出電平值決定了可輸入模擬信號(hào)量的最大值為2.5V，能夠滿足通常的應(yīng)用需求。通信節(jié)點(diǎn)通過(guò)PWM0端口將控制字輸入ADS8344的Din管腳，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的開始時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)通道選擇、輸入方式選擇等功能。

1.1.2 I/O擴(kuò)展模塊設(shè)計(jì) 本模塊的基本功能是將I2C總線擴(kuò)展為并行輸入輸出端口，從而可以直接以外部中斷方式將數(shù)據(jù)從外部I/O寫入通信節(jié)點(diǎn)，也可以將通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過(guò)遠(yuǎn)程I/O直接并行輸出。本模塊實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程I/O與通信節(jié)點(diǎn)的直接交互，不需要占用CPU資源，其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖1 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)框圖Fig．1 Diagram of the analog to digital conversion module

圖2 I/O擴(kuò)展模塊的設(shè)計(jì)框圖Fig．2 Diagram of the I/O expansion module

I/O擴(kuò)展模塊選用TI公司的PCF8574A芯片，它可以實(shí)現(xiàn)I2C總線到8位遠(yuǎn)程并行I/O端口的擴(kuò)展功能［12］，該芯片與大多數(shù)微控制器兼容，且功耗較低。該芯片的管腳接通信節(jié)點(diǎn)的INT0管腳，通過(guò)在端發(fā)送中斷信號(hào)，遠(yuǎn)程I/O可以直接通知微控制器I/O端口是否有數(shù)據(jù)到來(lái)。在時(shí)鐘信號(hào)SCL的控制下，控制器在數(shù)據(jù)端口 SDA依次發(fā)送開始信號(hào)、I/O芯片(PCF8574A)地址、讀/寫控制信號(hào)，而I/O芯片進(jìn)行ACK應(yīng)答之后，開始從遠(yuǎn)程并行端口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入或輸出。

1.1.3 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì) 通信節(jié)點(diǎn)不僅需要保存感知元件采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)還需要轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包，在某一時(shí)刻到達(dá)通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量可能非常大，發(fā)生通信節(jié)點(diǎn)無(wú)法及時(shí)響應(yīng)多數(shù)據(jù)處理的情況。這時(shí)節(jié)點(diǎn)就不能及時(shí)處理感知平臺(tái)采集的數(shù)據(jù)，可能造成部分?jǐn)?shù)據(jù)丟失，這在一些重點(diǎn)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中是不允許的。因此感知平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)，需要外擴(kuò)一個(gè)可管理的存儲(chǔ)器來(lái)緩存這些數(shù)據(jù)，即存儲(chǔ)模塊，本模塊的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

本模塊的設(shè)計(jì)選用Microchip公司的I2C串行電子可擦可編程只讀存儲(chǔ)器24LC64作為外擴(kuò)緩存［14］。該芯片是雙總線接口，與 I2C總線兼容，且外部電路簡(jiǎn)單，體積較小，同時(shí)其功耗較低，適用于感知平臺(tái)的設(shè)計(jì)。通信節(jié)點(diǎn)的CLK管腳為24LC64芯片提供時(shí)序信號(hào)SCL;通信節(jié)點(diǎn)的DATA管腳發(fā)出控制字，控制24LC64芯片完成相應(yīng)的讀寫操作。

1.1.4 電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì) 通信節(jié)點(diǎn)由3節(jié)5號(hào)電池供電，其電壓值會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，并不能作為穩(wěn)定的激勵(lì)源向外部傳感器輸出。而感知平臺(tái)需要外接多種傳感器，不同傳感器的供電電壓往往是不同的，常用的為2.5V，3.3V和5V。因此，感知平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)，要能夠?yàn)橥獠扛兄娐诽峁┻@3種參考電平。圖4為2.5V參考電平的產(chǎn)生原理框圖，圖5為3.3V和5V參考電平的產(chǎn)生原理框圖。

電壓轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)主要選用2.5V三端穩(wěn)壓芯片 MMBZ5222，TI公司的運(yùn)算放大器TLV2473［12］和 MAXIM 公司的 MAX1795 升壓芯片［15］。運(yùn)算放大器是CMOS軌到軌輸入輸出芯片，功耗較低。MAX1795芯片只需要低電源電流，是升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，具有真關(guān)斷功能，該芯片可以為運(yùn)放提供較大的供電電壓Vdd。運(yùn)放對(duì)MMBZ5222芯片輸入的2.5V參考電壓分壓產(chǎn)生3.3V和5V的參考電平。將通信節(jié)點(diǎn)與運(yùn)放的控制端口和相連，可以控制電壓轉(zhuǎn)換模塊僅在需要采集外部環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)為感知設(shè)備提供激勵(lì)源，否則處于關(guān)斷狀態(tài)，從而可以大大降低感知系統(tǒng)能耗。

圖3 存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)框圖Fig．3 Diagram of the storagemodule

圖4 2.5V參考電平的產(chǎn)生原理框圖Fig．4 Generation of 2.5V reference

圖5 3.3V和5V參考電平的產(chǎn)生原理框圖Fig．5 Generation of3.3V and 5V reference

1.2 感知系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)的工作過(guò)程主要分以下幾個(gè)階段:

1)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的正確配置，主要包括控制模塊和通信模塊工作模式的設(shè)置，保證發(fā)送節(jié)點(diǎn)能夠控制感知平臺(tái)完成多種信息的采集，使感知平臺(tái)輪流采入各路傳感器的模擬信號(hào)并完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，采入數(shù)字信號(hào)并完成相應(yīng)轉(zhuǎn)換，形成原始數(shù)據(jù)。通信模塊將獲得的數(shù)據(jù)組成固定的數(shù)據(jù)格式，形成數(shù)據(jù)包，并經(jīng)無(wú)線模塊發(fā)送出去。

2)接收節(jié)點(diǎn)的正確配置，主要包括控制模塊和通信模塊工作模式的設(shè)置，保證接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)工作在同一通道，能夠檢測(cè)、識(shí)別和接收發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信息，并將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳遞到服務(wù)器端。

3)服務(wù)器端的正確配置，主要包括設(shè)置串口的數(shù)據(jù)接收速率、端口號(hào)、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換模式等，完成接收信息的正確解碼任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)與套接字的綁定功能，將數(shù)據(jù)以用戶規(guī)定的形式插入數(shù)據(jù)庫(kù)保存，方便后期的數(shù)據(jù)顯示以及分析處理工作。

2 感知系統(tǒng)的應(yīng)用測(cè)試

2.1 感知系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況

2.1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)部署情況 從2009年至今，利用感知獲取系統(tǒng)對(duì)唐皇城墻含光門過(guò)水涵洞遺址進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)區(qū)域部署有溫濕度傳感器、震動(dòng)傳感器和氣體傳感器(CO2，SO2和H2S)。

2.1.2 自適應(yīng)事件檢測(cè)算法 根據(jù)文物保護(hù)專家的需求和建議，將感知節(jié)點(diǎn)部署在遺址的重要監(jiān)測(cè)部位，采集可能影響遺址健康狀態(tài)的環(huán)境因子，并將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)與遺址的生存狀態(tài)關(guān)聯(lián)，建立遺址生存環(huán)境與生存狀態(tài)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。在此數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上研究遺址處于危險(xiǎn)環(huán)境的檢測(cè)預(yù)警算法，形成報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到不利情況時(shí)，及時(shí)提醒文物保護(hù)人員采取相應(yīng)措施。由于遺址與博物館內(nèi)空氣直接接觸，其生存環(huán)境本身會(huì)隨外界因子動(dòng)態(tài)變化，因此檢測(cè)算法需自適應(yīng)地調(diào)整，減弱這種動(dòng)態(tài)性導(dǎo)致的錯(cuò)誤檢測(cè)。本文給出兩種自適應(yīng)事件檢測(cè)算法:基于移動(dòng)均值的檢測(cè)算法(Moving Average)和基于移動(dòng)方差的檢測(cè)算法(Moving Variance)。

1)基于移動(dòng)均值的檢測(cè)算法:通過(guò)比較兩個(gè)不同窗口內(nèi)同一節(jié)點(diǎn)感知數(shù)據(jù)的變化，當(dāng)其變化超過(guò)預(yù)先設(shè)定的安全閾值時(shí)，則認(rèn)為危險(xiǎn)情況發(fā)生，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。相應(yīng)數(shù)學(xué)描述如下

wl對(duì)應(yīng)長(zhǎng)窗口，ws對(duì)應(yīng)短窗口，qi對(duì)應(yīng)采集到的感知數(shù)據(jù)序列，αl，k是長(zhǎng)窗口內(nèi)的感知數(shù)據(jù)均值，即靜態(tài)環(huán)境下的感知數(shù)據(jù)，αs，k是短窗口內(nèi)的感知數(shù)據(jù)均值，即當(dāng)前狀態(tài)下的感知數(shù)據(jù)。當(dāng)＞τ時(shí)，則認(rèn)為窗口長(zhǎng)為ws的時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)到不利情況，需產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，否則認(rèn)為無(wú)危險(xiǎn)情況發(fā)生，τ為設(shè)定的閾值。

2)基于移動(dòng)方差的檢測(cè)算法:其核心思想與基于移動(dòng)均值的檢測(cè)算法類似，唯一區(qū)別是該方法通過(guò)求取方差的方式完成報(bào)警，相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中:w為窗口大小;qt為該窗口內(nèi)感知數(shù)據(jù)的均值;vt為該窗口內(nèi)感知數(shù)據(jù)的方差;vt和σv分別對(duì)應(yīng)訓(xùn)練時(shí)段［tstart，tend］內(nèi)vt的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)vt＞+r·σv時(shí)，則認(rèn)為t+w時(shí)間段內(nèi)發(fā)生危險(xiǎn)情況，r為修正參數(shù)。

2.2 感知系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果

2.2．1 數(shù)據(jù)分析結(jié)果 圖6是一天中監(jiān)測(cè)到的CO2濃度和溫度數(shù)據(jù)。由于含光門遺址博物館的開放時(shí)間為早上9點(diǎn)到下午5點(diǎn)，隨著參觀游客數(shù)目的增加，遺址周圍的CO2濃度上升，而當(dāng)閉館之后CO2濃度會(huì)逐漸下降。圖7是同一天中監(jiān)測(cè)到與地面垂直方向的震動(dòng)數(shù)據(jù)。遺址低于周圍地面水平線且臨近馬路，過(guò)往車輛引起的震動(dòng)很可能損害遺址健康。在上下班高峰期，經(jīng)過(guò)車輛較多，因此震動(dòng)數(shù)據(jù)的峰值也出現(xiàn)在這2個(gè)時(shí)間段。

2.2.2 報(bào)警功能測(cè)試結(jié)果 分別調(diào)節(jié)模擬遺址生存環(huán)境的溫度、濕度和震動(dòng)因子，測(cè)試每種因子單獨(dú)作為報(bào)警信號(hào)的性能，主要衡量指標(biāo)有虛警次數(shù)、漏警次數(shù)和報(bào)警延遲時(shí)間。每種因子測(cè)試20次，每次測(cè)試時(shí)間為15 min，其中10次為安全狀態(tài)，10次為危險(xiǎn)狀態(tài)。報(bào)警延遲與每種環(huán)境因子的采樣頻率和窗口大小有關(guān)，在測(cè)試時(shí)溫濕度的采樣頻率為每秒5次，震動(dòng)的采樣頻率為每秒20次。在兩種自適應(yīng)事件檢測(cè)算法中，長(zhǎng)窗口都設(shè)為10 min，短窗口都設(shè)為5 s。表1給出了報(bào)警系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果，表明移動(dòng)方差檢測(cè)算法優(yōu)于移動(dòng)均值檢測(cè)算法。

圖6 一天中CO2濃度和溫度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖Fig．6 Monitoring data of CO2 concentration and temperature in a day

圖7 一天中監(jiān)測(cè)到的震動(dòng)數(shù)據(jù)Fig．7 Monitoring data of vibration in a day

表1 報(bào)警系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果Tab．1 Test result of the alarm system

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，感知系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，可以有效地采集和調(diào)理多種傳感器感知的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度和系統(tǒng)功耗、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性也能滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。下一步將探索感知系統(tǒng)在其他背景下的大規(guī)模應(yīng)用，并根據(jù)系統(tǒng)在大規(guī)模應(yīng)用中的新問(wèn)題進(jìn)一步完善系統(tǒng)功能。

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