基于無線傳感器網絡的房屋健康監(jiān)測系統設計

周鵬 章偉 張小強

摘 ?要： 由于通過有線傳輸傳感器數據來監(jiān)測現有房屋安全的方式花費高，布線繁瑣，線路后期維護成本高等原因，在此以ZigBee技術為平臺，設計無線傳感器網絡傳輸傳感器數據的監(jiān)測系統。此系統包括協調器節(jié)點、路由器節(jié)點和無線傳感器節(jié)點，其中節(jié)點硬件包括主電路模塊、電源模塊和傳感器模塊。軟件設計是基于ZigBee技術的Z?Stack協議棧。對節(jié)點間的傳輸距離和數據傳輸準確性以及整個網絡在實際建筑物中的可行性進行了測試。測試結果表明，設計的無線傳感器網絡系統通過路由器進行數據跳傳可以準確地傳輸數據，并能夠在實際中應用。

關鍵詞： 房屋安全; 無線傳感器網絡; ZigBee; 數據傳輸; Z?Stack協議棧; 跳傳

中圖分類號： TN711?34; TP299 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）10?0005?05

Abstract： Since there exist problems of high cost， complicated wire routing and high expenses of later?stage wire maintenance in the mode of using wire transmission sensor data to monitor the existing building safety， a sensor data monitoring system based on wireless sensor network transmission was designed taking ZigBee technology as the platform. The system consists of coordinator node， router node， and wireless sensor node. The nodes′ hardware is composed of main circuit module， power module，and sensor module. The software design is based on the Z?stack protocol stack of Zigbee technology. The transmission distance and data transmission accuracy between nodes and the feasibility of the whole network in real building were tested. The results show that the designed wireless sensor network system can transmit data accurately by means of data hop transmission via the router， and can be applied in practice.

Keywords： building safety; wireless sensor network; ZigBee; data transmission; Z?stack protocol stack; hop transmission

0 ?引 ?言

目前我國房屋安全事故頻繁發(fā)生，部分房屋出現突然倒塌，造成重大的人員傷亡和財產損失[1]。另外，國內很多房屋都是20世紀八九十年代建造的，經過這么多年的使用，它們的安全性能如何，是否對人們生命財產構成威脅，都是亟待回答的問題[1]。

對于房屋安全問題，傳統方法是一種有線檢測的過程，其缺點是不夠實時和全面，此外在已建的房屋中布置數據線路不僅花費巨大，且對于后期的線路維護也將產生巨大的費用。為此，基于ZigBee技術設計無線傳感器網絡系統來監(jiān)測房屋健康安全。

1 ?ZigBee技術

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術[2]。其MAC層和物理層是基于IEEE 802.15.4通信協議，而網絡層協議和應用層協議是由ZigBee聯盟進行標準化。ZigBee技術具有低功耗、低成本、大容量、高可靠性以及靈活的拓撲結構等特點，其可應用于商業(yè)樓宇、醫(yī)學應用以及工業(yè)控制[3]。

2 ?系統總體方案

2.1 ?無線傳感器網絡

在建筑物中大量布置無線傳感器節(jié)點來采集應力傳感器、傾角傳感器、以及位移傳感器的數據，并通過路由器節(jié)點來完成數據的接力傳輸，最后將各個節(jié)點所采集到的數據匯聚到協調器上并傳輸到上位機?；赯igBee技術的無線傳感器網絡系統框架如圖1所示。

2.2 ?設備節(jié)點硬件框架

設備節(jié)點硬件設計主要分為兩個部分，無線傳感器節(jié)點硬件設計以及協調器節(jié)點與路由器節(jié)點硬件設計。無線傳感器節(jié)點與各個傳感器相連接，因為傳感器耗電量非常大，所以無線傳感器節(jié)點選擇電源適配器供電。而協調器節(jié)點和路由器節(jié)點需任意布置且不需要連接傳感器，所以其通過鋰充電電池供電。

2.2.1 ?無線傳感器節(jié)點

無線傳感器節(jié)點并不是傳感器本身，而是可以將傳感器（應力傳感器、位移傳感器、傾角傳感器等）連接在其上進行數據處理和無線傳輸的節(jié)點[4]。無線傳感器節(jié)點設計框圖如圖2所示，其包括微處理器模塊（內部包括射頻相關模塊）、電源模塊、傳感器模塊。

2.2.2 ?協調器與路由器節(jié)點

協調器節(jié)點和路由器節(jié)點只負責網絡建立和路由選擇，不連接傳感器。其設計框圖如圖3所示，包括微處理器模塊（內部包括射頻相關模塊）、電源電路、電源欠壓報警模塊以及程序下載接口。

2.3 ?設備節(jié)點硬件設計

設備節(jié)點的硬件設計采用的是Ti公司的CC2530F256微處理器來實現嵌入式ZigBee的片上應用。它支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協議，是世界上首個單芯片ZigBee解決方案[2]。

2.3.1 ?主電路模塊設計

微控制器CC2530F256及其外圍電路、巴倫電路以及天線接口，組成了節(jié)點的主電路模塊部分。圖4是節(jié)點的核心模塊電路連接圖。

圖4中微控制器CC2530F256的工作電壓為3.3 V，無線傳感器節(jié)點是由電源適配器來供電的，而協調器和路由器是由電池來供電的。端口P0.0，P0.1和P0.6連接指示燈電路，用來指示節(jié)點的不同工作狀態(tài)。P2.1（DD）和P2.2（DC）連接JTAG編程口，用于程序在線調試。在無線傳感器節(jié)點中，微處理器的P1.6（TX）和P1.7（TX）口連接到傾角傳感器，P0.3（TX）和P0.2（RX）口連接到應力傳感器，P0.7口連接到拉線位移傳感器。RF_P與RF_N引腳連接的射頻天線模塊包括：巴倫電路、2.4 GHz外置天線及天線接口。其中2.4 GHz外置天線是長10 cm的單天線，優(yōu)點是抗干擾能力強。天線接口使用標準的SMA接口。

2.3.2 ?傳感器模塊

用于房屋安全監(jiān)測的傳感器主要有三種，分別是傾角、位移以及應力傳感器[5]。通過布置傾角傳感器，可以隨時并且直觀地發(fā)現房屋存在的各種安全隱患，例如墻面整體是否正在慢慢發(fā)生傾斜[6]。測位移是由于損傷、額外的負載以及一些自然因素的影響，墻面以及一些重要構件之間很容易產生相對位移[7]。如地表的輕微震動恢復平靜之后，一些構件沒有回到原來的位置。監(jiān)測應力是因為一些局部位移量還不能完全地監(jiān)測整個房屋的安全，因為房屋結構的破壞不一定在位移最大處，而是在應力或應變的最大處[8]。所以選用SCA126V?10?232型號的傾角傳感器，測量范圍是-10°～10°，RS 232信號輸出;MSP?S?V型號的拉線式位移傳感器，測量范圍是0～1 000 mm，對應0～5 V直流信號;YT?ZX?0100型號振弦應力傳感器，測量范圍是±1 500 με，RS 485信號輸出。后面以傾角傳感器為例進行數據測試。

2.3.3 ?電源模塊

無線傳感器節(jié)點上除主電路模塊外還連有傳感器模塊。圖5是其電源設計原理圖，在整個電源設計中，根據傳感器模塊，應力傳感器需要24 V和12 V。傾角傳感器可以是9～36 V，所以選擇12 V供電。拉線位移傳感器可以是10～24 V，為方便設計，也選用12 V供電。微處理器CC2530是3.3 V供電。MAX485芯片和MAX232芯片供電是5 V。所以整個節(jié)點的電源設計由24 V接入，經電源芯片LM2576S?12降到12 V，再經過電源芯片LM2576S?5降到5 V，最后經電源芯片AMS1117?3.3降到3.3 V。而路由器節(jié)點和協調器節(jié)點采用3.7 V/2 000 mA·h鋰充電電池供電。圖6是其充電電路和電源穩(wěn)壓電路。充電管理芯片TP4057和穩(wěn)壓芯片XC6206能夠提供穩(wěn)定的3.3 V電壓。XC6206是一款高精度、低功耗、高電壓、正電壓調整芯片[9]。其失穩(wěn)電壓只有160 mV，所以非常適用于將3.7～4.2 V的電池電壓轉成3.3 V的電壓。

3 ?系統網絡軟件設計

在具體調試Z?Stack協議棧時，首先需要根據具體硬件設計完成基礎的設置（如按鍵和燈光I/O口配置），其修改文件是在hal_board_cfg.h。然后在應用層完成各個任務函數的調用和修改，如節(jié)點狀態(tài)改變函數App_ProcessZDOStateChange（），在建立網絡（協調器）或加入網絡（設備節(jié)點）成功后，進行事件處理，包括采集傳感器數據和無線收發(fā)數據[10]。

首先進行初始化協議棧并建立網絡，網絡建立成功后，等待接收串口命令和網絡數據。圖7是協調器軟件設計流程圖。對于無線傳感器節(jié)點，初始化之后加入網絡，接收網絡中屬于自己的數據，然后根據命令進行傳感器數據采集。圖8是無線傳感器節(jié)點軟件設計流程圖。

4 ?系統性能測試及分析

4.1 ?節(jié)點間通信距離測試

無線傳感器網絡節(jié)點間距離測試主要分為三個部分：一是空曠條件下，單點對單點的距離測試;二是在有墻面的建筑物內，單點對單點的距離測試;

三是在建筑物內兩點之間添加路由器進行數據跳傳后，兩點之間的傳輸距離。測試實驗通過采集傾角傳感器數據進行測試。表1是不同環(huán)境下測得的最大傳輸距離。其測得的通信距離是一個范圍，這是因為在這樣一個范圍，所傳回的傳感器數據的精度是一個可接受的范圍，這部分將在精度測試部分說明。

經過測試，在空曠的環(huán)境下，兩節(jié)點之間的傳輸距離最遠是70～82 m，當建筑物內有一面墻阻隔時，傳輸距離會下降，大概在30～43 m之間;如果兩點之間的障礙物很密集，信號會銳減，無法建網，傳輸距離幾乎為0。而在兩節(jié)點之間添加路由器，可以有效增加傳輸距離，尤其是在障礙物密集時，實驗測試發(fā)現，在通過有兩面墻阻礙的兩節(jié)點之間添加路由器，可以解決信號快速衰減問題，使得傳輸距離增加到38～49 m。

4.2 ?傳輸精度測試

無線傳感器節(jié)點網絡數據傳輸的精度測試，采用的是將傾角傳感器的數據進行無線和有線的方式讀回，然后進行對比。其中有線的數據傳輸是通過串口線將傾角傳感器與電腦連接，即在無線傳感器節(jié)點采集傾角傳感器數據的同時，也會通過有線的方式發(fā)送到電腦上。表2是在有效的通信距離內不同環(huán)境下測得的傾角傳感器連續(xù)20次數據的平均值（去除極值）和通過與有線對比得出的無線傳輸精度和丟失數據包次數。測試發(fā)現，同一環(huán)境下，在有效的通信距離內，無線數據的傳輸精度也會因為距離的增加而略有下降。在空曠條件下，傳輸精度在有效距離內與有線傳輸一致，精度為100%。當在建筑物內，沒有路由器的條件下，傳輸精度會有所下降，達到93.2%（30～39 m）和91.5%（39～43 m）。而在添加路由器之后，傳輸精度和傳輸距離都有明顯提高，能夠達到99.3%（46～51 m）和98.5%（51～55 m）。尤其是對于障礙物較密（兩面墻）情況下，添加路由器之后，可以從幾乎不能傳輸達到大幅度提高傳輸距離和精度，能到達98.1%（38～45 m）和97.2%（45～49 m）?？梢钥闯?，通過路由器進行數據跳傳，可以解決信號在建筑物內的衰減問題。

4.3 ?系統整體測試

根據節(jié)點間的距離和精度測試，系統的整體應用測試采用一種倒“T”型的拓撲結構，如圖9所示，在一幢四層樓進行整個網絡的布置。通過在每層走廊的水平方向和大樓的一側外墻面垂直方向布置路由器中繼節(jié)點，選擇這種倒“T”型拓撲結構是因為根據前面的測試發(fā)現墻面對信號傳輸干擾很大（尤其是兩面墻），所以通過這樣的拓撲結構，盡量避免在數據傳輸時數據被干擾。然后添加無線傳感器節(jié)點，加入這樣的拓撲結構網絡進行傳感器數據采集與傳輸，進行測試。

表3是以傾角傳感器為例的4個無線傳感器節(jié)點通過這種倒“T”型拓撲結構傳輸的傾角傳感器數據（去除極值后20次的平均值）。

測試結果表明，通過在建筑物中進行這種倒“T”型拓撲結構無線網絡的布置，可以比較精確地無線傳輸關鍵測試點的傳感器數據。所以，系統的整體設計方案是可行的。

5 ?結 ?論

本文設計一種基于ZigBee技術的無線傳感器網絡系統方案，并通過采集傾角、應力和位移傳感器的數據，將這種網絡系統應用到特定的房屋安全監(jiān)測上。對節(jié)點的通信距離和精度進行測試，并在實際的建筑物中通過倒“T”型網絡拓撲結構，對系統的整體進行測試。測試結果表明，所設計的無線傳感器網絡精度高，傳輸距離遠。在建筑物內，通過節(jié)點間添加路由器，可以有效提高傳輸精度和傳輸距離。所以，設計的這種無線傳感器網絡方案可以被實際應用到房屋監(jiān)測上。

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