基于無線傳感器網(wǎng)絡的光強實時監(jiān)測系統(tǒng)研究

黃 勇，郭山山

( 湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施445000)

隨著信息技術的飛速發(fā)展，光強監(jiān)測對人們的生活愈發(fā)重要．目前的光強監(jiān)測已經(jīng)由人工監(jiān)測發(fā)展到現(xiàn)在的在線監(jiān)測，但仍然存在受電纜束縛安裝復雜、價格昂貴、維護困難等缺點．本設計采用WSN 對光強信號進行實時監(jiān)測［1］，具有較強的現(xiàn)實意義．

1 系統(tǒng)總體結構

無線傳感器網(wǎng)絡光強監(jiān)測系統(tǒng)包括源節(jié)點(Source node)、匯聚節(jié)點(Sink node)以及相關軟件．其中，源節(jié)點和匯聚節(jié)點軟件子系統(tǒng)又包含操作系統(tǒng)、通信協(xié)議以及其上的應用軟件子系統(tǒng)．匯聚節(jié)點還充當了傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關的角色，其上運行的軟件子系統(tǒng)因為應用的不同與源節(jié)點有所區(qū)別．本設計中源節(jié)點與匯聚節(jié)點硬件結構具有一致性．系統(tǒng)結構如圖1 所示．

本系統(tǒng)中源節(jié)點采集的數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點，然后匯聚節(jié)點通過串口通信傳送到PC 機中，PC 機中的后臺管理軟件解析后將結果顯示給用戶，用戶也可以通過后臺管理軟件對無線傳感器網(wǎng)路中的各個相關節(jié)點進行管理配置，并且能夠實時查詢各個節(jié)點的物理屬性．為了降低系統(tǒng)功耗，數(shù)據(jù)采集中采用了睡眠喚醒機制，源節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后立即進入休眠狀態(tài)，直到下一次數(shù)據(jù)傳送．

2 系統(tǒng)硬件設計

2．1 光強傳感器TSL2561 簡介

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構Fig．1 System network structure

TSL2561［2］是美國TAOS 公司推出的一種高性能的光強度數(shù)字轉換芯片，該芯片可廣泛應用于顯示屏監(jiān)控、街道光照控制、安全照明、蔬菜大棚光照監(jiān)測等眾多場合，其內(nèi)部結構如圖2 所示．微處理器與TSL2561 的連接圖如圖3 所示．

圖2 TSL2561 內(nèi)部結構圖Fig．2 The internal structure of TSL2561

圖3 微處理器與TSL2561 連接圖Fig．3 The connection diagram between microprocessor and TSL2561

2．2 源節(jié)點設計

在本系統(tǒng)中，源節(jié)點主要包含光強信息采集模塊、微處理器模塊、通信模塊及電源模塊等4 部分，匯聚節(jié)點則不需要光強信息采集模塊．節(jié)點框圖如圖4 所示．

傳感器模塊負責光強信息的采集和數(shù)據(jù)轉換;微處理器模塊負責控制整個節(jié)點的操作;無線通信模塊負責節(jié)點間進行無線通信、交換控制信息以及收發(fā)數(shù)據(jù);能量供應模塊為電池供電．其中微處理器模塊采用Atmel 公司的Atmega128L 作為微處理器;無線通信模塊部分采用TI－Chipcon 公司的射頻芯片CC2420［3］;傳感器模塊選用光強傳感器TS2561;能量供應模塊部分采用Power gating 技術［4］，在無數(shù)據(jù)采集任務時降低功耗．在監(jiān)測系統(tǒng)中，源節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力相對較弱，而匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力和通信能力相對比較強，它連接傳感器網(wǎng)絡與PC 機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和監(jiān)測指令的發(fā)布．

圖5 節(jié)點流程圖Fig．5 The flow chart of the node

3 軟件設計

3．1 源節(jié)點軟件設計

源節(jié)點主要負責光強信息的采集與發(fā)送，其運行流程圖如圖5(a)所示．

1)初始化．源節(jié)點與匯聚節(jié)點的初始化包括網(wǎng)絡和硬件初始化兩個部分．不同的是，匯聚節(jié)點的網(wǎng)絡初始化是建立網(wǎng)絡，而源節(jié)點網(wǎng)絡初始化是啟動ZigBee 協(xié)議棧加入網(wǎng)絡，源節(jié)點硬件初始化還要對傳感器進行初始化．

2)數(shù)據(jù)采集．TSL2561 是輸出信號符合I2C 總線標準的數(shù)字傳感器．當數(shù)據(jù)發(fā)送及讀寫時，I2C 總線支持字節(jié)、字、塊讀寫等發(fā)送接收數(shù)據(jù)方式，本設計中采用字節(jié)的方式．

3)數(shù)據(jù)發(fā)送程序．該程序是源節(jié)點程序的核心，它將源節(jié)點網(wǎng)絡地址、環(huán)境參數(shù)等相關數(shù)據(jù)以多跳的方式傳送到匯聚節(jié)點．源節(jié)點采集完成的數(shù)據(jù)被存儲在一個結構體隊列中，本設計采用MSG 幀格式，格式如圖6 所示，共17 個字節(jié)．

3．2 匯聚節(jié)點軟件設計

匯聚節(jié)點主要充當網(wǎng)關的角色，一邊通過無線通信協(xié)議棧與源節(jié)點交換數(shù)據(jù)，完成光強數(shù)據(jù)收集和用戶控制命令分發(fā);一邊通過串口與PC 機通信．整個軟件系統(tǒng)需時間管理隊列對各層進行時序控制．當節(jié)點上電時，先進行初始化操作;然后進行信道查詢，通過選擇合適的信道建立一個無信標識網(wǎng)，并且設置網(wǎng)絡的PAN ID，等待源節(jié)點加入網(wǎng)絡;最后在源節(jié)點加入網(wǎng)絡之后，接收源節(jié)點發(fā)送的光強信息數(shù)據(jù)．匯聚節(jié)點的運行流程圖如圖5(b)所示．

圖6 MSG 幀格式Fig．6 The frame format of MSG

3．3 PC 機監(jiān)測軟件設計

無線傳感器網(wǎng)絡的運行狀態(tài)對于網(wǎng)絡觀測者尤其重要，后臺管理的系統(tǒng)軟件目的在于收集傳感器網(wǎng)絡中各個區(qū)域內(nèi)源節(jié)點收集的信息和網(wǎng)絡參數(shù)，并且將這些數(shù)據(jù)準確地顯示出來，方便用戶對網(wǎng)絡的實時監(jiān)測和管理．本設計的軟件平臺運行在PC 機上，通過串口方式與匯聚節(jié)點通信，獲取傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，解析后將節(jié)點的狀況和收集的數(shù)據(jù)在PC 上顯示出來．后臺軟件的主要功能為:

1)接收傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，控制管理傳感器網(wǎng)絡和傳感器網(wǎng)絡節(jié)點．例如讓節(jié)點休眠以減少系統(tǒng)能耗，主動查詢某特定區(qū)域的物理信息等．

2)實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)幀的完整顯示．

3)實現(xiàn)對復雜網(wǎng)絡拓撲結構的支持，并且保證較好的實時性［5－7］．

4 測試結果

4．1 實驗方案

為了比較各個傳感器節(jié)點采集的光強信息，將3 個源節(jié)點放置在光強度不同的各個位置，其中1、2 號節(jié)點位于實驗室的墻角;3 號節(jié)點放置在窗戶邊．節(jié)點部署如圖7 所示．

4．2 實驗結果

在本設計中，要使采集的光強信息用Lux(流明)為單位，需根據(jù)從通道0 寄存器和通道1 寄存器讀取的相應值CH0 和CH1 進行計算，計算公示如下所示．

光強度信息測試結果如圖8 所示．測試結果發(fā)現(xiàn):1、2 號源節(jié)點采集的光強數(shù)據(jù)保持相對穩(wěn)定;3 號源節(jié)點采集的光強數(shù)據(jù)會隨環(huán)境變化有較小的波動，這說明位置環(huán)境對光強信息的采集影響很大．通過多次對光強度的采集，測試結果表明:本監(jiān)測平臺運行正常，并且保持了一定的實時性和穩(wěn)定性．

圖7 傳感器節(jié)點部署Fig．7 Sensor node deployment

圖8 光強測試結果Fig．8 Test results of light intensity

5 結論

采用光強傳感器TSL2561，結合無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)的光強實時監(jiān)測系統(tǒng)，具有精度高、成本低、使用方便等優(yōu)點，該光強監(jiān)測系統(tǒng)具有應用前景．參考文獻:

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