一種結(jié)合Zigbee和以太網(wǎng)的遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

汪華斌，徐浩冬，劉亮奇，王藝棉，陳文超，郭曉杰

(惠州學(xué)院 計算機科學(xué)系，廣東 惠州，516007)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)是由具有計算能力和無線通信能力的傳感器節(jié)點以自組織方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò).它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、微電子制造技術(shù)等多種技術(shù)[1],在網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)具備采集感知對象的信息及進行基本處理的功能.無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低功耗、組網(wǎng)靈活等特點，使其在特殊環(huán)境中廣泛應(yīng)用.但在智能交通、移動辦公、智能物流等應(yīng)用中被其傳輸距離短、傳輸速率低等因素制約，因此針對這些應(yīng)用場景需要改進[2-3].以太網(wǎng)是一種成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有接口簡單、通信速率高、傳輸距離遠、通信協(xié)議完善、傳輸穩(wěn)定和易擴展等優(yōu)點,滿足建立模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和開放式監(jiān)測系統(tǒng)的需求，實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測和遠程監(jiān)測中心之間的無縫鏈接[4-5].

目前大多數(shù)無線傳感器均為非IP終端設(shè)備，將非IP設(shè)備接入以太網(wǎng)，以便從遠程監(jiān)測中心獲得被監(jiān)測對象的實時數(shù)據(jù)，并對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析處理，從而進行遠程控制，在實現(xiàn)資源優(yōu)化、提高運行效率、提升行業(yè)競爭力方面具有重要意義[6].本文以Zigbee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)點為基礎(chǔ)，設(shè)計一套遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，通過Zigbee終端節(jié)點采集實時數(shù)據(jù)，利用以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至遠程監(jiān)測中心，實現(xiàn)對Zigbee傳感節(jié)點的遠程監(jiān)測.

文獻[7]提出的設(shè)計方案中，采集終端使用了無線傳感器，但通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進行遠程傳輸，存在傳輸速率低及數(shù)據(jù)丟失率高的缺點，在山區(qū)尤為明顯；采用ARM進行轉(zhuǎn)發(fā)處理更增加了系統(tǒng)設(shè)備采購成本和維護成本.文獻[8]采用的方案中，采集終端采用布線連接的方式，雖然提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，但其部署成本較高，不適合進行大規(guī)模的應(yīng)用，不能進行動態(tài)的拓撲和自組網(wǎng)，使得升級維護較為困難.因此采用Zigbee、以太網(wǎng)結(jié)合的方式更為合理.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的總體設(shè)計框架如圖1所示.Zigbee協(xié)調(diào)器上電后先進行信道掃描，選擇合適的信道，及唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò).網(wǎng)絡(luò)中的Zigbee終端節(jié)點負責(zé)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過Zigbee路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器.終端節(jié)點上電先掃描現(xiàn)有的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，請求加入最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器會在網(wǎng)絡(luò)容許范圍內(nèi)接受請求，并且分配給終端節(jié)點一個本網(wǎng)絡(luò)或特定網(wǎng)絡(luò)內(nèi)唯一的16位網(wǎng)絡(luò)短地址，以標(biāo)示身份[9].終端節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)后，將采集到的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將收到的數(shù)據(jù)進行封裝，經(jīng)串口轉(zhuǎn)發(fā)至以太網(wǎng)接口RMO4模塊，RMO4將數(shù)據(jù)打包成符合TCP/IP協(xié)議的格式，通過以太網(wǎng)發(fā)送至遠程的監(jiān)測中心.

以太網(wǎng)模塊啟動時先初始化串口和相關(guān)外圍設(shè)備，創(chuàng)建一個基于TCP的Socket服務(wù)器，等待遠程TCP客戶端的連接請求.如有客戶端成功連接，以太網(wǎng)模塊就將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的實時數(shù)據(jù)向所有連接的客戶端轉(zhuǎn)發(fā).基于TCP的Socket客戶端監(jiān)測軟件接收到數(shù)據(jù)后進行分析處理，再將結(jié)果顯示給監(jiān)測者參考(如圖2所示)，最終實現(xiàn)遠程監(jiān)測中心對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的實時監(jiān)測.

2 Zigbee幀的格式分析

Zigbee協(xié)調(diào)器接收到終端節(jié)點采集到的實時數(shù)據(jù)后，在應(yīng)用層進行封裝，再通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給以太網(wǎng)模塊，捕獲的數(shù)據(jù)幀如圖3所示.

針對其中一組數(shù)據(jù)進行分析，原始數(shù)據(jù)為：FE 0E 46 87 8B C9 02 00 06 00 16 1F D3 64 00 00 37，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表1所示(均為16進制).

表1 Zigbee數(shù)據(jù)幀分析

3 通訊模塊設(shè)計

3.1 Zigbee傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點的控制核心選用TI公司推出的芯片CC2530，CC2530集成了微處理器、存儲器和射頻模塊，具有高集成度、低功耗、小體積、低成本、外圍電路簡單以及接口豐富等特點，支持點對點、點對多點、多點對多點無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，可外接多種傳感器用于無線數(shù)據(jù)采集[10].且CC2530芯片支持最新的Zigbee 2007/PRO協(xié)議棧，相比之前的協(xié)議棧具有更好的互操作性、節(jié)點密度管理和數(shù)據(jù)負荷管理等特點，并且支持網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)和低功耗，這使得CC2530芯片設(shè)計的傳感節(jié)點通信距離更遠，網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定可靠[10-11].具體的硬件設(shè)計及關(guān)鍵電路如圖4～5所示.

3.2 以太網(wǎng)模塊設(shè)計

以太網(wǎng)模塊是以HLK-RM04為核心的拓展板.HLK-RM04是海凌科電子新推出的低成本高性能嵌入式串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊.是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置Socket協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)串口與以太網(wǎng)之間的透明傳輸.利用HLK-RM04模塊，無線傳感器的串口設(shè)備無需進行改造，即可通過將數(shù)據(jù)傳入以太網(wǎng).具體的硬件設(shè)計及外圍電路如圖6所示.

4 Socket通信設(shè)計

Socket是一種基于TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用程序訪問通信協(xié)議的操作系統(tǒng)調(diào)用.Socket主要是有流式Socket(SOCK_STREAM)和數(shù)據(jù)報Socket(SOCK_DGRAM)2種，前者提供可靠的、面向連接的通信流，針對面向連接的TCP服務(wù)應(yīng)用，后者定義了一種無連接的服務(wù)，數(shù)據(jù)通過相互獨立的報文進行傳輸，是無序的且不保證可靠無差錯，對應(yīng)于無連接的UDP服務(wù)應(yīng)用[12-13].本系統(tǒng)要求可靠的數(shù)據(jù)傳輸，故采用基于TCP的流式Socket,如圖7所示.在以太網(wǎng)接口模塊上建立Socket服務(wù)器，在PC機的監(jiān)測軟件上創(chuàng)建Socket客戶端，PC機的監(jiān)測軟件使用時需進行服務(wù)器的IP地址和端口的連接設(shè)置，再向服務(wù)器發(fā)送連接請求.若連接成功，HLK-RMO4將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給PC機的監(jiān)測軟件，PC機監(jiān)測軟件對接收到的數(shù)據(jù)進行處理和分析.Socket通信關(guān)鍵類如下：

/*服務(wù)器IP地址和端口組合*/

ipep=new IPEndPoint(IPAddress.Parse(ServerIP), Port);

/*客戶端創(chuàng)建TCP套接字Socket*/

clientocket=new Socket(ipep.AddressFamily, SocketType.Stream, ProtocolType.Tcp);

/*客戶端連接Socket服務(wù)器*/

clientSocket.Connect(ipep);

/*客戶端接收信息 */

clientSocket.Receive(inBuffer, 1024, SocketFlags.None);

/*客戶端關(guān)閉Socket */

clientSocket.Close();

/*服務(wù)器監(jiān)聽客戶端的連接請求*/

serversocket.Listen()；

/*服務(wù)器接收客戶端的連接請求*/

serversocket.Accept ();

5 遠程監(jiān)測軟件及測試結(jié)果

遠程監(jiān)測中心(上位機軟件)采用了基于Windows 7操作系統(tǒng)下的Visual Studio 2010 C#語言開發(fā)，主要用于檢測、分析、處理終端傳感器節(jié)點采集到的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對遠距離監(jiān)測場景的實時監(jiān)測.

測試過程中，Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由3個終端傳感節(jié)點和1個協(xié)調(diào)器，首先啟動協(xié)調(diào)器創(chuàng)建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，隨后傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個終端節(jié)點請求入網(wǎng)并啟動以太網(wǎng)模塊.打開上位機監(jiān)測軟件設(shè)置Socket服務(wù)器的IP地址和端口號并請求連接.若連接成功后即可接收Zigbee終端傳感節(jié)點定時采集的環(huán)境參數(shù)，數(shù)據(jù)包長17位(協(xié)議頭、包長度、命令高/低位、源地址高/低位、命令I(lǐng)D高低/位、數(shù)據(jù)長度高/低位、溫度、電壓、信號強度、鏈路質(zhì)量、父節(jié)點地址高/低位、校驗位)，上位機將接收的數(shù)據(jù)先進行校驗再進行有效性檢查，舍棄無效數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16進制并把高低位合并等相關(guān)處理，完成處理過程后在界面上顯示準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),如圖8所示.

6 結(jié)語

系統(tǒng)結(jié)合了Zigbee和以太網(wǎng)，充分利用了Zigbee技術(shù)在實時數(shù)據(jù)采集方面的優(yōu)勢與以太網(wǎng)在遠距離傳輸上的優(yōu)點，解決了單獨采用Zigbee網(wǎng)絡(luò)在遠距離傳輸中的缺點和單獨采用以太網(wǎng)在布線方面的困難.在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理階段都進行合理設(shè)計，使對傳感節(jié)點實時數(shù)據(jù)的遠距離監(jiān)測成為可能.本系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測、礦井安全監(jiān)測、養(yǎng)殖場監(jiān)測、建筑安全監(jiān)測等方面都有很好的應(yīng)用前景.

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