基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)*

王 驥，林杰華，謝仕義

（廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院，廣東湛江524088）

無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Networks）是由大量小體積、低成本，具有無線通信能力、也能采集和處理相關(guān)數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成［1］。WSN涉及多個專業(yè)領(lǐng)域的理論，同樣也在多個工程領(lǐng)域中受到了廣泛的關(guān)注［2］。WSN的產(chǎn)生和高速發(fā)展得益于現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展［3-4］。由于WSN能夠準(zhǔn)確、快速地獲取客觀物理信息，在軍事國防、工農(nóng)業(yè)控制、智能家居、生物醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)控等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［5］。

ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低成本、低復(fù)雜度的短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用于低速傳輸，適合作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議［6-7］。ZigBee協(xié)議棧呈分層結(jié)構(gòu)，每層為其上層提供特定的服務(wù)。ZigBee技術(shù)是構(gòu)建在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)僅定義了物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）的規(guī)范［8］。ZigBee在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上指定了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層規(guī)范［9］。ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)有三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)都是由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、若干個路由器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成［10-11］。如圖2所示，ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋陀?種：星型、樹型和網(wǎng)狀型［12］。

圖2 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 相關(guān)工作

本文研究目的是利用ZigBee技術(shù)結(jié)合WSN設(shè)計(jì)安全高效的、個性化的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。許多本領(lǐng)域?qū)W者已經(jīng)利用WSN設(shè)計(jì)了一些環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，代表性的成果有：雷旭等利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了隧道環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32微控制器為核心設(shè)計(jì)了低功耗網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了B/S模式訪問的監(jiān)控中心軟件［13］；梅海彬等提出了一種基于Arduino開放平臺與XBee Pro增強(qiáng)通信距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對近海環(huán)境進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)測［14］；陳克濤等設(shè)計(jì)了以CC2530為核心處理器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)［15-16］；王德麾等提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和3G/4G的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)［17］；孫紀(jì)敏等研究了WSN接入In?ternet的 方 法［18］；Arch Rock Corp 等 研 究 了IPV6WSN［19］；另外，針對農(nóng)田土壤參數(shù)（諸如溫濕度等）的精確采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，很多學(xué)者研究了土壤WSN精確化應(yīng)用系統(tǒng)與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)［20～23］。諸如此類，這些都是典型的WSN環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)研究的文獻(xiàn)成果。概括這些目前WSN環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域文獻(xiàn)共性特點(diǎn)，大多是針對農(nóng)業(yè)、海洋等某一領(lǐng)域設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)，缺乏共性通用的系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)思想；另外由于缺乏目前云計(jì)算、Android等最先進(jìn)的新技術(shù)植入，缺乏先進(jìn)與人性化設(shè)計(jì)理念。針對這些弱點(diǎn)，本文進(jìn)行了研究改進(jìn)。實(shí)踐證明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，用戶隨時隨地都可以了解監(jiān)測場所的環(huán)境信息，如：溫度、濕度、可燃有毒氣體及其濃度、火災(zāi)、光線明暗程度等數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)時閉環(huán)環(huán)境信息的預(yù)警決策，能根據(jù)信息特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的智能化管理，如環(huán)境安全指數(shù)超標(biāo)會做出決策并采取一些措施。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

整體系統(tǒng)框圖如圖3所示。本文環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)分為三大部分：WSN終端節(jié)點(diǎn)、GPRS網(wǎng)關(guān)（控制/管理中心）和服務(wù)器/手機(jī)端APP/計(jì)算機(jī)端網(wǎng)頁。

為了充分實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，優(yōu)化現(xiàn)有WSN環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，本文系統(tǒng)智能網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為分為兩部分：以CC2530為微控制器的控制中心與以STM32為微控制器的管理中心。而且主要在網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)上利用軟硬件優(yōu)化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的先進(jìn)性與人性化理念。

2.1 GPRS智能網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)時技術(shù)上考慮與WSN節(jié)點(diǎn)、移動4G網(wǎng)絡(luò)的雙向交互并將二者無縫結(jié)合實(shí)現(xiàn)WSN遠(yuǎn)程有效通信。具體如下：①控制中心負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建，接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)，并將來自管理中心的指令發(fā)送到傳感器節(jié)點(diǎn)或LED燈節(jié)點(diǎn)，同時還要將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到管理中心。②管理中心負(fù)責(zé)將來自控制中心的數(shù)據(jù)利用LCD顯示屏實(shí)時顯示并用SD卡保存，同時實(shí)現(xiàn)GPRS遠(yuǎn)程通信，即通過SIM900A將數(shù)據(jù)以GPRS的方式發(fā)送到服務(wù)器，或請求讀取服務(wù)器上的數(shù)據(jù)。當(dāng)然，用戶是可以通過管理中心實(shí)現(xiàn)對傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)置與管理。如：設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)采集傳感數(shù)據(jù)的周期、信息融合、預(yù)警決策等。

圖3 系統(tǒng)框圖

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時考慮了4類傳感節(jié)點(diǎn)，分別采集不同類型的環(huán)境信息。傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對其環(huán)境信息的采集后，通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)協(xié)作將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心并最終送達(dá)管理中心。系統(tǒng)的WSN節(jié)點(diǎn)既能夠在用戶需要時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，也能按照所設(shè)定的采集周期長度來實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)自動采集和發(fā)送，即工作方式采取主動與被動式隨機(jī)選擇的模式。而且當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置為路由節(jié)點(diǎn)時，可以同時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的中轉(zhuǎn)，從而擴(kuò)大WSN的覆蓋范圍與數(shù)據(jù)傳輸能力。

2.3 服務(wù)器/手機(jī)端/電腦端

為了實(shí)現(xiàn)更大程度的智能化，系統(tǒng)采用了開放的物聯(lián)網(wǎng)云平臺Yeelink，通過GPRS將數(shù)據(jù)上傳到Y(jié)eelink的服務(wù)器，用戶就能通過安卓應(yīng)用軟件（An?droid App）和計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁查看數(shù)據(jù)，同時還可以設(shè)置相關(guān)監(jiān)測目標(biāo)數(shù)據(jù)與閾值，當(dāng)超越了閾值就觸發(fā)自動發(fā)微博功能來通知用戶，保證用戶快速有效地接收到信息并處理。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對環(huán)境監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

3 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，下位機(jī)部分包括GPRS智能網(wǎng)關(guān)、4類傳感節(jié)點(diǎn)和LED燈節(jié)點(diǎn)，各類傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件電路除了傳感器的不一樣外，其他部分（CC2530最小系統(tǒng)、電源穩(wěn)壓模塊）基本上一致，雖然涉及節(jié)點(diǎn)種類多，但都只在傳感器模塊的傳感器種類上有區(qū)別。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感節(jié)點(diǎn)主要包括電源穩(wěn)壓模塊、時鐘/復(fù)位單元、射頻天線單元、按鍵/LED單元和傳感器模塊等等，傳感節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 傳感節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 智能網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)功能特點(diǎn)如下：控制中心負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和相關(guān)控制，接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，發(fā)送命令到各節(jié)點(diǎn)，與管理中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；管理中心完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的管理工作，計(jì)算機(jī)和管理中心采用USB和UART1的通訊方式可以對ZigBee網(wǎng)絡(luò)完成相關(guān)配置，同時完成配置使用按鍵與LCD顯示屏與WSN的功能結(jié)合。傳感器的數(shù)據(jù)除了可以發(fā)送到服務(wù)器外，還可以保存到SD卡，保存周期可以按需設(shè)置。智能網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

圖5 智能網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 節(jié)點(diǎn)通信程序設(shè)計(jì)

4.1.1 計(jì)算方法

溫度傳感器產(chǎn)生與環(huán)境絕對溫度成正比輸出電壓。這個電壓和溫度的關(guān)系如方程（1）所示。

其中，uT為傳感器輸出電壓，單位：mV，T為攝氏溫度值。uT不是直接輸出的電壓，而是將其輸入到ADC產(chǎn)生線性的二進(jìn)制編碼。編碼如式子（2）所示。

其中C為ADC輸出碼；G為ADC傳輸函數(shù)（增益），本文實(shí)驗(yàn)中假設(shè)為2（隨機(jī)）；uREF為參考電壓值，電源3V時，實(shí)驗(yàn)測試擬合約為2.43V。則得到傳感器輸出溫度值T計(jì)算式（3）。

在本設(shè)計(jì)中，軟件設(shè)計(jì)是重中之重。由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不大，終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)沒考慮復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理算法，其軟件只需要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器與網(wǎng)關(guān)之前的接力通信即可。傳感器數(shù)據(jù)通過點(diǎn)對點(diǎn)的單播方式發(fā)送到協(xié)調(diào)器，而協(xié)調(diào)器是通過廣播的方式直接將命令數(shù)據(jù)包廣播給所有節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)需要有選擇地接收命令。這種通信方式的優(yōu)點(diǎn)是各個節(jié)點(diǎn)復(fù)位后短地址的變化不影響正常通信。節(jié)點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)包格式如下：

4.1.2 算法實(shí)現(xiàn)流程圖

傳感器節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)的發(fā)送一般放在定時的事件中執(zhí)行，而這個定時的時間是可以通過網(wǎng)關(guān)的管理中心進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)發(fā)送算法流程如圖6所示。

圖6 傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送流程

4.2 智能網(wǎng)關(guān)軟件程序設(shè)計(jì)

4.2.1 控制中心數(shù)據(jù)交互融合

多個WSN節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)融合可以看成是一個帶有約束條件的多變量目標(biāo)函數(shù)［24-25］。為便于研究，本文設(shè)為：

約束條件

對目標(biāo)函數(shù)求αi的偏導(dǎo)數(shù)

由式（2）、式（4）得

由式（4）、式（5）可以得

由式（1）、式（2）得可以得出二次加權(quán)平均值

Step 1 首先對接收到的多傳感器節(jié)點(diǎn)中的所有傳感器信息進(jìn)行處理，單個傳感器不同時刻的狀態(tài)估計(jì)值采用alman遞歸濾波算法，建立傳感器數(shù)據(jù)初始的誤差方陣P0，由遞歸公式計(jì)算出t時刻誤差方陣Pk（k=1，2，..，t），計(jì)算出mintracePk的時刻k。

Step 2 開始由初始值進(jìn)行遞歸計(jì)算，根據(jù)計(jì)算t個時刻的vt，再結(jié)合Step-1的計(jì)算結(jié)果，確定k時刻的最小pk，再由式子（7）計(jì)算最優(yōu)比例權(quán)重。

Step 3 對發(fā)散或估計(jì)精度差的數(shù)據(jù)，按照最優(yōu)比例權(quán)重進(jìn)行加權(quán)，根據(jù)公式（10），計(jì)算出加權(quán)后的狀態(tài)估計(jì)值（j=1，2，…，t）。

Step 4 由每個傳感器的方差并根據(jù)公式（9），可以計(jì)算出融合權(quán)重ai，將Step-3中的經(jīng)過加權(quán)的各個傳感器的狀態(tài)估計(jì)值進(jìn)行融合，再根據(jù)公式（4），計(jì)算出融合值。

Step 5 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)融合決策，依據(jù)設(shè)定預(yù)警閾值，判別融合后的數(shù)據(jù)與閾值關(guān)系，輸出預(yù)警等級結(jié)果。

網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器接收的數(shù)據(jù)包源頭有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)管理中心。網(wǎng)關(guān)管理中心的數(shù)據(jù)包一般是命令數(shù)據(jù)包，需要廣播到各個節(jié)點(diǎn)；終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包除了傳感器數(shù)據(jù)，還有按鍵命令等命令數(shù)據(jù)，傳感器數(shù)據(jù)會發(fā)送到STM32控制的管理中心，命令數(shù)據(jù)經(jīng)處理后會廣播到各節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器也可以結(jié)合多個傳感器的數(shù)據(jù)廣播相關(guān)命令到各節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器處理相關(guān)數(shù)據(jù)的流程如圖7所示。

協(xié)調(diào)器與管理中心串口通信的數(shù)據(jù)包格式為：

聯(lián)合體中數(shù)組databuf和結(jié)構(gòu)體BUF是共享一個內(nèi)存區(qū)域的，選用聯(lián)合體的原因是方便將接收到的數(shù)據(jù)復(fù)制到結(jié)構(gòu)體變量，使用start［2］為數(shù)據(jù)包的頭幀是為了方便判斷數(shù)據(jù)包是否來自網(wǎng)關(guān)中的控制中心，而數(shù)據(jù)的類型指的是發(fā)給管理中心的傳感器類型。

圖7 協(xié)調(diào)器處理數(shù)據(jù)流程

4.2.2 管理中心軟件程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，管理中心主要實(shí)現(xiàn)的功能有：①LCD顯示傳感器數(shù)據(jù)；②傳感器數(shù)據(jù)通過GPRS上傳到服務(wù)器；③傳感器數(shù)據(jù)保存到SD卡；④ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置；⑤接收GSM短信命令包，將命令包發(fā)送到控制中心；⑥接收計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，完成相關(guān)操作。

這些功能的實(shí)現(xiàn)是必須由軟件編程實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動相關(guān)外設(shè)，調(diào)用相關(guān)底層驅(qū)動等等。功能實(shí)現(xiàn)涉及的代碼量大，管理中心主函數(shù)的流程如圖8所示。

圖8 管理中心主函數(shù)流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測試

為了全面了解系統(tǒng)的性能，需要對系統(tǒng)進(jìn)行綜合測試，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。主要測試工作包括ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收發(fā)與組網(wǎng)性能、管理中心功能完備性、環(huán)境參數(shù)管理和報警功能、網(wǎng)關(guān)GPRS數(shù)據(jù)上傳等等。為節(jié)約成本，項(xiàng)目組實(shí)物測試之前首先進(jìn)行了系統(tǒng)仿真測試。

5.1 系統(tǒng)仿真測試

仿真實(shí)驗(yàn)選擇NS-2軟件系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)仿真平臺，它提供了通信模型、隨機(jī)拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)移動模型生成等輔助工具。在仿真中使用的場景文件就使用了隨機(jī)模型工具實(shí)現(xiàn)［26］。在仿真中設(shè)置了以下的仿真情景：scene-100 n-1 p-60 m/s-120 t-1 200-1 200中的100 n表示100個節(jié)點(diǎn)，1 p表示到一個地方的停留時間是1 S，60 s表示節(jié)點(diǎn)移動的最大速度為60 m/s，100 t表示模擬場景的持續(xù)時間是120 s，50-50表示場景的大小為50 m×50 m。假設(shè)100個節(jié)點(diǎn)在某個隨機(jī)時刻某節(jié)點(diǎn)啟動一個CBR（Con?stant Bit Rate）流，該CBR流各節(jié)點(diǎn)間最大的連接數(shù)為25，每秒發(fā)送2個長度為256 Byte包。

①端到端的延時分析：采用網(wǎng)狀組網(wǎng)形式，端到端的延時反應(yīng)應(yīng)用中的時間特性，主要包含報文傳送過程中的所有時延，如發(fā)送緩沖器等待時間、接口隊(duì)列排隊(duì)時間、MAC層重傳時間、包的轉(zhuǎn)發(fā)時延等。端到端平均時延=目的結(jié)點(diǎn)分組接收時間-源結(jié)點(diǎn)分組發(fā)送時間。數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)的過程中的包時延與節(jié)點(diǎn)數(shù)目間的關(guān)系如圖9所示。其中三條曲線分別對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包個數(shù)?？梢缘贸觯?jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)包的數(shù)量增多在本文算法下對延遲的影響小。

圖9 數(shù)據(jù)包的延時

分析原因，數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)在剛開始時，端到端的延時變化幅度大。當(dāng)然，隨著網(wǎng)絡(luò)中參與數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的數(shù)量的增加，傳輸時延會漸漸增加，隨后隨節(jié)點(diǎn)數(shù)增加網(wǎng)絡(luò)延遲減小是因?yàn)閿?shù)據(jù)“轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)”由軟件算法選擇，數(shù)目增多容易選擇最合適節(jié)點(diǎn)（近距離或能量大）進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)而改善了網(wǎng)絡(luò)性能。

②節(jié)點(diǎn)間的傳輸速率：隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加，分集信息流數(shù)也增加，研究系統(tǒng)的平均符號誤碼率ASEP和信道容量性能情況很重要［27］。本文用傳輸速率表示。假設(shè)節(jié)點(diǎn)之間有一個CBR數(shù)據(jù)流，現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)流傳輸情況進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)中測試，節(jié)點(diǎn)平均傳輸速率為 0.50 kb/s，最大的傳輸速率為 1.90 kb/s。隨后又對多個節(jié)點(diǎn)傳輸平均速率進(jìn)行仿真分析對比，結(jié)果如圖10所示。可知數(shù)據(jù)包在整個網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速率基本保持恒定，節(jié)點(diǎn)數(shù)目增多，速率不減反增，原因在于數(shù)據(jù)融合算法減少了數(shù)據(jù)量而減少了碰撞，所以本文研究系統(tǒng)適合大規(guī)模WSN應(yīng)用。因此，網(wǎng)狀組網(wǎng)對WSN環(huán)境監(jiān)測協(xié)調(diào)具有很好的有效性。

圖10 數(shù)據(jù)流數(shù)目與傳輸速率關(guān)系

5.2 管理中心功能完備性測試

管理中心的選取5傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示和采集周期的設(shè)置界面如圖11所示。系統(tǒng)內(nèi)4類傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)在有效通信范圍內(nèi)均能成功發(fā)送給協(xié)調(diào)器并顯示在TFT顯示屏。管理中心能對各個傳感節(jié)點(diǎn)的采集周期進(jìn)行設(shè)置并保存到Flash，每次復(fù)位或重新啟動都會讀取保存在Flash中的采集周期，每個節(jié)點(diǎn)連接到ZigBee網(wǎng)絡(luò)后都會向協(xié)調(diào)器請求其采集周期。為保證支持低功耗工作，網(wǎng)關(guān)還支持屏幕休眠和數(shù)據(jù)上傳通道關(guān)閉。

圖11 傳感器顯示界面和采集周期的設(shè)置界面

①環(huán)境參數(shù)控制和報警功能測試

在本設(shè)計(jì)中，環(huán)境參數(shù)選取亮度參數(shù)作為控制實(shí)例。實(shí)現(xiàn)了亮度的自動控制，并能結(jié)合LED節(jié)點(diǎn)、人體紅外傳感器、光強(qiáng)度傳感器等多參數(shù)實(shí)現(xiàn)亮度的閉環(huán)控制，具體實(shí)現(xiàn)方法為：當(dāng)人體紅外傳感器檢測到移動人體存在于其檢測范圍且光強(qiáng)度傳感器檢測的環(huán)境亮度低于一定的閾值（可自行設(shè)置）則打開繼電器控制的LED燈開關(guān)，可以推廣到應(yīng)用于諸如樓梯和走廊過道的照明系統(tǒng)等的智能化管理；而報警功能部分則實(shí)現(xiàn)了火焰報警，即火焰檢測到疑似火焰情況則將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的蜂鳴器打開，網(wǎng)關(guān)發(fā)短信通知用戶。

②GPRS數(shù)據(jù)上傳測試

串口顯示GPRS上傳濕度、溫度、光強(qiáng)等結(jié)果，包括數(shù)據(jù)上傳成功與否和傳感數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)類型。截圖如圖12所示。

圖12 傳感器網(wǎng)關(guān)顯示截圖

GPRS上傳的數(shù)據(jù)能夠在網(wǎng)頁上查看，網(wǎng)頁上同樣可以查看歷史數(shù)據(jù)。網(wǎng)頁實(shí)時顯示傳感器數(shù)據(jù)如圖13所示。

圖13 網(wǎng)絡(luò)中心網(wǎng)頁顯示

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)的ZigBee網(wǎng)狀組網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)收發(fā)情況與組網(wǎng)性能進(jìn)行了完整測試。由于實(shí)驗(yàn)中傳感節(jié)點(diǎn)沒有使用CC2530前端射頻功率放大，因此傳輸距離比較短，無障礙下10 m內(nèi)丟包率為0，距離增加丟包率直線上升，15 m就會斷開連接，有障礙時傳輸距離更短，丟包率更高。但本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)融合算法改善了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)碰撞擁塞情況，所以WSN環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用的條件得到了改善，而且安卓與云計(jì)算技術(shù)的引入是系統(tǒng)在人性化與數(shù)據(jù)存貯方面相比現(xiàn)有系統(tǒng)是一個大的閃光點(diǎn)。后續(xù)研究中會在改善節(jié)點(diǎn)的傳輸能力的方向與物聯(lián)網(wǎng)化方向深化系統(tǒng)功能，使其更加實(shí)用化、工程化。

6 結(jié)論

本文的理論研究與實(shí)踐證明，ZigBee技術(shù)的強(qiáng)大組網(wǎng)能力和低功耗等特點(diǎn)使得惡劣環(huán)境監(jiān)測的發(fā)展前景更加廣闊，本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中植入了云計(jì)算與Android技術(shù)，使基于WSN環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)管理與工作模式更加高度智能化、人性化和安全化；另一方面，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中利用傳感器拾取的數(shù)據(jù)與控制技術(shù)相互結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境信息的有效監(jiān)測與控制，同時智能網(wǎng)關(guān)以GPRS的通訊方式將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，用戶可以通過網(wǎng)頁等途徑查看，所以，移動通信（可升級至4G/5G）等技術(shù)的融入使得本系統(tǒng)的更具實(shí)用性與先進(jìn)性。

［1］任豐原，黃海寧，林闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.軟件學(xué)報，2003，14（7）：1282-1291.

［2］馬祖長，孫怡寧，梅濤.無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜述［J］.通信學(xué)報，2004，25（4）：114-124.

［3］Wang K，Xu Y，Huang L S，et al.GPS based location oriented routing protocol for MANET［J］.Chinese Journal of Electronics，2006，15（1）：173-178.

［4］LanemanJ.N.，TseD.N.C.WornellG.W.Cooperative diversity in wireless networks：efficient protocols and outage behavior［J］.IEEE Transactions onInformation Theory，2004，50（12）：3062-3080.

［5］Truman Chiu-Yam Ng，Wei Yu.Joint optimization of relay strate?gies and resource allocations in cooperative cellular networks［J］.IEEE Journal onSelected Areas in Communications，2007，25（2）：328-339.

［6］Yi Zhihang，Kim Il-Min.Diversity order analysis of the decode-and forward cooperative networks with relay selection［J］.IEEE Trans?actions onWireless Communications，2008，7（5）：1792-1799.

［7］Bletsas A.，Khisti A.，Reed D.P.，et al.A simple cooperative diver?sity method based on network path selection［J］.IEEE Journal on?Selected Areas in Communications，2006，24（3）：659-672.

［8］Hao Zhu，Guohong Cao.rDCF：a relay-enable medium access con?trol protocol for wireless ad hoc networks［J］.IEEE Transactions onMobile Computing，2005，5（9）：1201-1214.

［9］Liu Pei，Tao Zhifeng，Lin Zinan，et al.Special issue-advancesin smart antennas-cooperative wireless communications：a cross-lay?er approach［J］.IEEE Wireless Communications，2006，13（4）：84-93.

［10］Bin Zhao，ValentiM.C.Practical relay networks：a generalization of hybrid-ARQ［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Communi?cations，，2005，23（1）：7-18.

［11］Zhang Wenshu，DuanDongliang，Yang Liuqing.Relay selection from a battery energy efficiency perspective［J］.IEEE Transac?tions onCommunications，2011，59（6）：1525-1529.

［12］D.Duan，F(xiàn).Qu，L.Yang，A.Swami，and J.C.Principe.Modulation Selection from a Battery Power Efficiency Perspective［J］.IEEET?ransactions on Communications，vol.58，no.7，pp.1907-1911，Ju?ly 2010.

［13］雷旭，李陽，李思慧.基于WSN的長大隧道環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013，（08）：2675-2679.

［14］梅海彬，張明華，黃冬梅.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時近海環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2015（1）：110-113.

［15］陳克濤，張海輝，張永猛.基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014（5）：183-188.

［16］王曉喃，錢煥延，唐振民.6Lowpan網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報，2009：22（5）：717-721.

［17］王德麾，馮軍帥，宋海亮.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和3G/4G的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015（3）：17-18.

［18］孫紀(jì)敏，沈玉龍，孫玉.傳感器網(wǎng)絡(luò)接入internet體系結(jié)構(gòu)和服務(wù)提供方法［J］.通信學(xué)報，2008：29（4）：84-88.

［19］Arch Rock Corp.，San Francisco.IPv6 in Low-Power Wireless Net?works［J］.Proceedings of the IEEE，2010；98（11）：1865-1878.

［20］劉卉，汪懋華，王躍宣，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2008，38（3）：604-608.

［21］張榮標(biāo)，谷國棟，馮友兵，等.基于IEEE 802.15.4的溫室無線監(jiān)控系統(tǒng)的通信實(shí)現(xiàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2008，39（8）：119-122.

［22］馮友兵，張榮標(biāo)，沈敏.面向精確灌溉的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2009，40（1）：56-59.

［23］李震，Wang Ning，洪添勝等.農(nóng)田土壤含水率監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（2）：212-217.

［24］陳輝，鄧記才，吳曉輝，宋楊.多傳感器信息融合在輪式機(jī)器人運(yùn)動控制中的應(yīng)用［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2011，24（6）：915-918.

［25］房衛(wèi)東，張小瓏，石志東，孫彥贊，單聯(lián)海.基于二項(xiàng)分布的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信任管理系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2015，28（5）：703-708.

［26］Riliskis，L.Osipov，E.Symphony.A Framework for Accurate and Holistic WSN Simulation［J］.Sensors，2015，15：4677-4699.

［27］徐凌偉張浩呂婷婷施威GulliverTA.移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在n-Rayleigh信道下的性能分析［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2015，28（2）：265～270.