基于ZigBee的自來(lái)水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭連滔，馮錫煒，馮瑤

（遼寧石油化工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，水質(zhì)的污染和破壞問(wèn)題日趨嚴(yán)重，著眼于社會(huì)所需，我們研究了基于ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為水質(zhì)保駕護(hù)航。

水質(zhì)污染問(wèn)題刻不容緩，城市飲水主要是通過(guò)自來(lái)水，其中的安全隱患不容忽視，所以需要一種能隨時(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化的設(shè)備系統(tǒng)。論文探討構(gòu)建基于ZigBee技術(shù)的自來(lái)水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)是ZigBee網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)wifi和轉(zhuǎn)USB的協(xié)議轉(zhuǎn)換。上位機(jī)監(jiān)控功能中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收、顯示以及歷史數(shù)據(jù)查詢，對(duì)超閾值數(shù)據(jù)，報(bào)警提示。

1 物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)具有自組網(wǎng)，低功耗，延時(shí)小，多跳的特點(diǎn)，適用于長(zhǎng)時(shí)間組網(wǎng)監(jiān)測(cè)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有3種設(shè)備，協(xié)調(diào)器（Co_ordinator）為全功能節(jié)點(diǎn)（FFD），負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器，相當(dāng)于蜂群結(jié)構(gòu)中的蜂后，當(dāng)網(wǎng)路建立完成后，協(xié)調(diào)器的功能相當(dāng)于普通路由器（Router）。路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由跳轉(zhuǎn)，能夠?qū)⑾l(fā)給其他j節(jié)點(diǎn)設(shè)備。終端節(jié)點(diǎn)（End device）負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。以上3種設(shè)備可以分為全功能節(jié)點(diǎn)（FFD）和半功能節(jié)點(diǎn)（RFD）[1]。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有兩個(gè)地址：

1）IEEE MAC地址

這是一種64位的地址，這個(gè)地址由IEEE組織進(jìn)行分配，用于唯一的標(biāo)識(shí)設(shè)備，全球沒(méi)有任何兩個(gè)設(shè)備具有相同的MAC地址。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，有時(shí)也叫MAC地址為擴(kuò)展地址。

2）16位短地址

16位短地址用于在本地網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)識(shí)設(shè)備，和在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)，所以如果是處于不同的網(wǎng)絡(luò)中有可能具有相同的短地址。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候?qū)⒂伤母腹?jié)點(diǎn)給它分配短地址，協(xié)調(diào)器的短地址是0。

ZigBee網(wǎng)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要為星狀（star），樹(shù)狀（Cluster_tree），網(wǎng)格（mesh），其中星狀網(wǎng)絡(luò)不支持ZigBee路由器。不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用用于不同的使用環(huán)境。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，整個(gè)系統(tǒng)由下位機(jī)監(jiān)測(cè)網(wǎng)和上位機(jī)軟件組成，下位機(jī)監(jiān)測(cè)網(wǎng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，和數(shù)據(jù)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)上的傳輸。上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)對(duì)來(lái)自監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，數(shù)理統(tǒng)計(jì)，水質(zhì)參數(shù)超標(biāo)實(shí)時(shí)報(bào)警，和設(shè)備運(yùn)行狀況的檢查。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的下位機(jī)

下位機(jī)部分由一個(gè)ZigBee轉(zhuǎn)WiFi網(wǎng)關(guān)或一個(gè)ZigBee轉(zhuǎn)USB基站，2個(gè)PH采集節(jié)點(diǎn)，一個(gè)溫度采集節(jié)點(diǎn)組成。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 The architecture of the system

所有節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌ZigBee通訊模塊，在節(jié)點(diǎn)的通訊模塊中，燒寫(xiě)了ZigBee協(xié)議棧的移植版，所有節(jié)點(diǎn)上電即進(jìn)行自組網(wǎng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。通過(guò)AT命令來(lái)指定協(xié)調(diào)器，路由器，和終端節(jié)點(diǎn)，以及節(jié)點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)。當(dāng)?shù)綦姇r(shí)，能進(jìn)行參數(shù)的保存。其下位采集器采用STM32，該款CPU采用的是ARM的cortex-M3內(nèi)核。其具有出色的實(shí)時(shí)性能、優(yōu)越的功效、高級(jí)的創(chuàng)新型的外設(shè)、最大的集成性。CPU工作頻率最高達(dá)到72 MHz。AD采集精度為12位，充分保證了采集傳感器的精度。

ZigBee通信具有通信穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[2]。增加的無(wú)線功率放大器PA可以一定意義上克服ZigBee通信距離短的問(wèn)題，使得節(jié)點(diǎn)通信距離可以達(dá)到幾千米，最大限度的保證了通信的穩(wěn)定可靠和通信距離。圖2和圖3分別描述了ZigBee節(jié)點(diǎn)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖。

圖3 ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)Fig.3 ZigBee nodes send data

在下位機(jī)與PC機(jī)的銜接部分，筆記本可以用WiFi網(wǎng)關(guān)或ZigBee轉(zhuǎn)USB基站來(lái)接收數(shù)據(jù)，對(duì)于臺(tái)式機(jī)可以直接用ZigBee轉(zhuǎn)USB基站來(lái)接收。

4 水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的上位機(jī)

上位機(jī)界面采用C#編程，開(kāi)發(fā)工具為vs2012，數(shù)據(jù)庫(kù)為SQL Server。

4.1 W IFI網(wǎng)關(guān)接收模式

當(dāng)啟用WIFI網(wǎng)關(guān)[3-4]接受模式時(shí)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用TCP，相比UDP穩(wěn)定[5]，用socket套接字來(lái)連接PC機(jī)與WIFI網(wǎng)關(guān)。

當(dāng)上位機(jī)軟件啟動(dòng)時(shí)，上位機(jī)首先創(chuàng)線thwatchport=new Thread（listening）；用來(lái)監(jiān)視，WiFi網(wǎng)關(guān)是否與PC機(jī)相連，若沒(méi)有，則繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)。當(dāng)連接完成時(shí)，軟件創(chuàng)建另一線程threcive=new Thread（autorecive），用于接收WiFi網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并隨時(shí)將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

由于第一個(gè)線程不斷循環(huán)查詢，當(dāng)WiFi網(wǎng)關(guān)斷開(kāi)，能保證WiFi網(wǎng)關(guān)重連時(shí)的成功，而不必重啟軟件。保證了系統(tǒng)的容錯(cuò)率和健壯性。

偽代碼描敘如下：

Begin：IPEndPoint ipendpoint=new IPEndPoint（ip，port）；

welcomesocket=new Socket（AddressFamily.InterNetwork，SocketType.Stream，ProtocolType.Tcp）；

welcomesocket.Bind（ipendpoint）；//綁定IP

welcomesocket.Listen（16）；

thwatchport=new Thread（listening）；//創(chuàng)建監(jiān)聽(tīng)線程

thwatchport.Start（）；

listening（）//監(jiān)聽(tīng)函數(shù)

{try

{Do while（true）

reciveSocket=welcomesocket.Accept（）；//連接

threcive=new Thread（autorecive）；//創(chuàng)建接收線程

threcive.Start（）；

endwhile

}

catch（ex）{print（ex.toString（）；}

}

void autorecive（）//接收函數(shù)

{StringBuilder strRecive=new StringBuilder（）；

String strtemp=""；

Byte[]byterecieve=new Byte[1024*1024]；ncount=0；

sqloperate=new ServerSQL（）；

do while（true）

{try{

if（reciveSocket==null）break；

ncount=reciveSocket.Receive（byterecieve）；//接收數(shù)據(jù)到緩存

strtemp=Encoding.Default.GetString（byterecieve，0，ncount）；

strRecive.Append（strtemp）；

{//解析接收到的數(shù)據(jù)包

//判斷設(shè)備狀態(tài)，以及水質(zhì)參數(shù)是否超標(biāo)，如有異常，立即報(bào)警//數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)

}

}

}catch（ex）//捕獲異常

{ncounterror++；

if ncounterror==5

print（"請(qǐng)檢查網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)已斷開(kāi)"）；threcive.Abort（）；

endif

}

}endwhile

}

End

運(yùn)行結(jié)果圖：

4.2 ZigBee轉(zhuǎn)USB模式

對(duì)于臺(tái)式PC機(jī)，用WiFi網(wǎng)關(guān)接收模式固然可行，對(duì)于ZigBee網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)物理距離較短時(shí)，還有另一種接收模式——ZigBee轉(zhuǎn)USB模模式。只要將USB一端插入臺(tái)式機(jī)的USB口，當(dāng)上位機(jī)軟開(kāi)啟時(shí)便可以接收數(shù)據(jù)。

USB接受方式的編程實(shí)現(xiàn)，采用的是serialPort控件[6]，直接采用事件觸發(fā)的方式。

偽代碼描敘如下：

Begin:

serialPortAccess.DataReceived+=new System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventHandler（autorecive）；//將事件委托函數(shù)處理

autorecive（object sender，System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs e）

{

sqloperate=new ServerSQL（）；

String readdata=""；

StringBuilder strRecive=new StringBuilder（）；

try

{

圖4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收方式監(jiān)控界面Fig.4 Wireless network receiving modemonitoring interface

readdata=serialPortAccess.ReadExisting（）；//接收數(shù)據(jù)

strRecive.Append（readdata）；

{

//解析接收到的數(shù)據(jù)包

//判斷設(shè)備狀態(tài)，以及水質(zhì)參數(shù)是否超標(biāo)，如有異常，立即報(bào)警

//數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)

}

}

catch（Exception ex）print（ex.ToString（））；

}

End

運(yùn)行結(jié)果圖：

圖5 串口接收方式監(jiān)控界面Fig.5 Serialport receiving modemonitoring interface

線程和事件觸發(fā)方式，和定時(shí)器定時(shí)接收方式相比，能保證數(shù)據(jù)的隨到隨收，無(wú)數(shù)據(jù)包遺漏現(xiàn)象。

對(duì)于數(shù)據(jù)的處理，可以按時(shí)間查詢，并將查詢到的數(shù)據(jù)進(jìn)行普通的數(shù)理統(tǒng)計(jì)，如計(jì)算平均數(shù)，超標(biāo)次數(shù)，并且能將數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)結(jié)果導(dǎo)出生成Excel文件，方便用戶進(jìn)一步分析調(diào)研。

此外，上位機(jī)軟件具有良好的用戶界面，與異常處理，方便用戶操作與使用，接收界面使用動(dòng)態(tài)GIF圖片制作，如圖2，第一個(gè)蘋(píng)果表示等待連接，第二個(gè)蘋(píng)果表示已連接成功，正在接收數(shù)據(jù)，當(dāng)WIFI網(wǎng)關(guān)掉線時(shí)，第二個(gè)蘋(píng)果停止動(dòng)態(tài)顯示，方便用戶動(dòng)態(tài)感覺(jué)數(shù)據(jù)接收正在進(jìn)行，當(dāng)數(shù)值超標(biāo)時(shí)，或設(shè)備電壓不足時(shí)，軟件亦能及時(shí)彈出報(bào)警窗口。

5結(jié)論

基于ZigBee的自來(lái)水監(jiān)測(cè)網(wǎng)能有效對(duì)自來(lái)水水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，完成了傳感器數(shù)據(jù)采集、傳輸、查詢顯示以及報(bào)警等系統(tǒng)功能。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸傳感器的數(shù)據(jù)采用兩種方式：WiFi網(wǎng)關(guān)的socket方式和ZigBee轉(zhuǎn)USB的serialPort方式。兩種方式都能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)接收，基于線程的socket，使用了線程輪轉(zhuǎn)循環(huán)的方式，能有效防止WiFi網(wǎng)關(guān)掉線，并提醒用戶。此時(shí)接收線程threcieve終止，監(jiān)聽(tīng)線程thwatchport依舊循環(huán)，等待WiFi網(wǎng)關(guān)重新連接。

下一階段工作的重點(diǎn)，圍繞完善系統(tǒng)功能和擴(kuò)展系統(tǒng)應(yīng)用展開(kāi)：

對(duì)于下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)，采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目不夠多，參數(shù)種類(lèi)也不夠豐富。在PANID，信道，和數(shù)據(jù)包一致的情況下，可以不斷加入新的節(jié)點(diǎn)，增加下位機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能。

對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸，利用GPRS網(wǎng)[7]，通過(guò)GPRS短信直接通知水質(zhì)超標(biāo)等情況，亦可以將ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)為3G或4G網(wǎng)絡(luò)[8]，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞阶兊渺`活多樣。

在上位機(jī)功能部分，豐富數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)方式，添加系統(tǒng)日志管理，改進(jìn)異常情況的友好提示等。豐富客戶端的操作平臺(tái)，延伸至Web方式，以及基于移動(dòng)終端的App應(yīng)用。對(duì)于已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，和大數(shù)據(jù)運(yùn)算，研究當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)，生活的狀態(tài)。

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