基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)房環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉秀　宋航

摘 要：近年來，隨著信息采集技術(shù)的不斷進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)取得了巨大突破，在環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，成為備受國(guó)際關(guān)注、高度知識(shí)集成的科研熱點(diǎn)與前沿。WSN技術(shù)應(yīng)用到機(jī)房環(huán)境感知監(jiān)控中，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且部署方便、擴(kuò)充性強(qiáng)，是一種低成本、高效率的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：無線傳感器；機(jī)房環(huán)境；監(jiān)控；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的機(jī)房環(huán)境感知系統(tǒng)大都基于有線集中監(jiān)控模式，有線集中監(jiān)控不僅結(jié)構(gòu)臃腫、造價(jià)高昂，而且可靠性和準(zhǔn)確性都比較差。目前，借助全新的技術(shù)改進(jìn)，有線集中監(jiān)控的成本和效率已大為改觀，但仍然難以克服布線方面的困難，而通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)擺脫了對(duì)電源線及數(shù)據(jù)線的依賴，實(shí)現(xiàn)了“兩線”瓶頸的成功跨越，對(duì)機(jī)房環(huán)境感知系統(tǒng)而言是一次巨大的技術(shù)飛躍。

1 WSN技術(shù)概述

WSN由一定數(shù)量的固定或移動(dòng)式無線傳感器組成，各無線傳感器通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，共同構(gòu)成一個(gè)節(jié)點(diǎn)群。WSN運(yùn)用了低功耗無線通信技術(shù)、專用計(jì)算機(jī)技術(shù)、微傳感器技術(shù)、微型芯片技術(shù)、電路設(shè)計(jì)技術(shù)等。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感模塊、處理模塊、無線模塊及電源模塊四部分構(gòu)成，其中傳感模塊的功能是采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，處理模塊的功能是對(duì)采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理及臨時(shí)性存儲(chǔ)，無線模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無線交互，電源模塊負(fù)責(zé)各傳感器節(jié)點(diǎn)的電力供應(yīng)。WSN能夠?qū)崟r(shí)感知應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將信息進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，然后輸送至用戶端，使用戶實(shí)時(shí)把握監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不存在布線方面的障礙，并且安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單，非常適合在機(jī)房環(huán)境中部署和使用。

2 基于WSN的機(jī)房環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

整個(gè)機(jī)房環(huán)境感知系統(tǒng)由WSN子系統(tǒng)和上層管理系統(tǒng)構(gòu)成，其中WSN子系統(tǒng)即無線傳感器終端節(jié)點(diǎn)群，采用動(dòng)態(tài)協(xié)同自組織算法，各節(jié)點(diǎn)依據(jù)搭載的傳感器類型，分別執(zhí)行不同的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，并借助無線模塊來完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)及傳送。上層管理系統(tǒng)運(yùn)行于監(jiān)控主機(jī)上，主要對(duì)WSN采集上傳的信息進(jìn)行分析和儲(chǔ)存，為客戶呈現(xiàn)一目了然的監(jiān)控視圖。WSN子系統(tǒng)與上層管理系統(tǒng)借助Sink節(jié)點(diǎn)和基站相連接，Sink節(jié)點(diǎn)和基站借助串口等接口相連接，傳感器數(shù)據(jù)首先匯集到Sink節(jié)點(diǎn)，然后通過基站上傳至監(jiān)控主機(jī)。

2.2 硬件選型

在機(jī)房環(huán)境感知系統(tǒng)中，處理器采用嵌入式CPU或單片機(jī)MCU；通信單元采用短距、低耗的無線通訊元件，一般以ZigBee協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；傳感器類型由傳感器所屬的功能模塊及被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信號(hào)形式來決定，通常包括溫度傳感器、濕度傳感器、浸水傳感器、光強(qiáng)傳感器、煙霧傳感器等。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

⑴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。單個(gè)傳感器的無線傳輸距離十分有限，無法將采集數(shù)據(jù)直接上傳到主監(jiān)控系統(tǒng)，因此必須將傳感器以某種協(xié)議及技術(shù)進(jìn)行互聯(lián)，形成無線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)在臨近接點(diǎn)之間進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，從而延長(zhǎng)通信距離。機(jī)房環(huán)境感知系統(tǒng)的傳感器基本不需要移動(dòng)，采集的數(shù)據(jù)量也比較小，但對(duì)數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)性有一定要求，因此提出一種基于最小跳數(shù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息均沿著最短路徑向Sink節(jié)點(diǎn)傳遞。同時(shí)，為避免信息跳轉(zhuǎn)過程中發(fā)生數(shù)據(jù)沖突、確保數(shù)據(jù)下發(fā)和控制，運(yùn)用逐跳搜索法獲取最短路徑。

⑵無線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件。要想無線傳感器正常運(yùn)作，軟硬件條件缺一不可，因此必須為傳感器嵌入相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。與傳感器的硬件結(jié)構(gòu)相類似，軟件系統(tǒng)同樣由四大模塊構(gòu)成。

數(shù)據(jù)采集模塊：激活傳感器驅(qū)動(dòng)程序，將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步校正，然后輸出數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理模塊：對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理，比如對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，以消除信號(hào)雜音，降低寬帶負(fù)荷。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊：將處理之后的數(shù)據(jù)向外發(fā)送，或接收來自基站的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)無線模塊的收發(fā)狀態(tài)進(jìn)行控制和切換。在數(shù)據(jù)收發(fā)之前，需要將數(shù)據(jù)按既定的幀格式進(jìn)行打包或解壓，以便于數(shù)據(jù)的傳輸或處理。

能源管理模塊：在節(jié)能減耗的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過軟件來調(diào)整無線模塊的工作狀態(tài)，同時(shí)控制微處理器的休眠和喚醒。

⑶sink節(jié)點(diǎn)軟件。Sink節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)WSN與上層管理軟件之間的通信。本系統(tǒng)中，Sink節(jié)點(diǎn)使用的固定軟件為WSN 節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)TinyOS，由于Sink節(jié)點(diǎn)同基站之間以串口連接，導(dǎo)致多樓層監(jiān)控中，需要在各樓層分別部署一個(gè)基站，部署成本及難度較高。因此可以對(duì)TinyOS中的TOS-Base程序加以改進(jìn)，使Sink節(jié)點(diǎn)能夠支持TCP/IP協(xié)議，這樣只需一個(gè)基站就能夠完成整個(gè)系統(tǒng)的通信運(yùn)作。

⑷上層管理軟件。上層管理軟件基于C/S三層架構(gòu)，能夠?qū)崟r(shí)處理傳感器采集上傳的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)以用戶關(guān)心的形成表現(xiàn)出來。上層管理軟件負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的跟蹤管理，并借助后期優(yōu)化處理來彌補(bǔ)WSN自身存在的不足。當(dāng)監(jiān)測(cè)到異常狀況時(shí)，軟件可通過聲音、光線、短信、電話等形式進(jìn)行報(bào)警。

本文從總體架構(gòu)、硬件選型、軟件設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)基于WSN的機(jī)房環(huán)境感知系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)描述。通過WSN有效解決了監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的布線煩惱，部署極為方便，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的機(jī)房環(huán)境感知和監(jiān)控，并大大降低了機(jī)房監(jiān)控人員的勞動(dòng)量，具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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