基于ZigBee與NB?IoT技術(shù)的白蟻偵測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李金倫 趙承志 楊超 羅明璋

摘? 要： 白蟻是一種破壞性極大的世界性害蟲，其危害范圍十分廣泛，包括房屋建筑、交通設(shè)施、江河堤壩等都是它的危害對象。這些危害不易被人察覺，但是一經(jīng)發(fā)現(xiàn)往往后果已十分嚴(yán)重?，F(xiàn)有的白蟻防治手段主要是通過大范圍噴藥來實(shí)現(xiàn)的，這種方式不僅效率低、成本高，還會(huì)對環(huán)境造成大面積污染。針對上述技術(shù)不足，設(shè)計(jì)一種將ZigBee與NB?IoT技術(shù)融合的新型白蟻偵測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用獨(dú)創(chuàng)的白蟻偵測裝置，能夠高效準(zhǔn)確地偵測蟻情;ZigBee?NB?IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)覆蓋范圍廣且性價(jià)比高，實(shí)現(xiàn)信息的集中管理并能夠有效穩(wěn)定地將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器;系統(tǒng)創(chuàng)新性地采用MSP430芯片作為偵測節(jié)點(diǎn)的“休眠保姆”，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步休眠機(jī)制，最大程度上降低功耗，使系統(tǒng)能夠長時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測白蟻信息，工作人員可以通過終端設(shè)備查看偵測點(diǎn)的蟻情信息并進(jìn)行精準(zhǔn)滅殺，這樣既提高了白蟻防治的效率又減小了對環(huán)境的污染。

關(guān)鍵詞： 蟻情偵測; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 技術(shù)融合; 信息集中管理; 數(shù)據(jù)上傳; 同步休眠

中圖分類號(hào)： TN915.4?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）18?0106?05

Abstract： Termite is one of the destructive pests in the world， which has a wide hazard range， including housing construction， transport facilities， river dikes， etc. These hazards are not easy to be perceived， but their consequences will be often serious as soon as they are found. The existing means of control over the termite are mainly achieved by large?scale spraying， which not only has low efficiency and high cost， but also causes large?area pollution to the environment. A new?type termite detection system integrated with ZigBee and NB?IoT technologies is designed for above technical deficiencies. In the system， a creative termite detection device is applied， which can detect termites′ situation efficiently and accurately. The ZigBee?NB?IoT network architecture covers a wide range and has high cost performance， which can realize the centralized management of information and upload data to the cloud server effectively and stably. In the system， the MSP430 chip is innovatively used as the "sleeping babysitter" of the node detection to realize the synchronous sleep mechanism of the whole network， by which the power consumption can be reduced to the maximum extent， the system can monitor termite information in real time for a long time， and the staff can check the termite situation information at the detection station by means of the terminal equipment and perform the accurate killing. It not only improves the efficiency of termite control， but also reduces the environmental pollution.

Keywords： termite situation detection; system design; technology fusion; information centralized management; data upload; synchronous sleep

0? 引? 言

白蟻對于房屋建筑的危害巨大，每年由于白蟻危害造成的損失高達(dá)數(shù)十億。尤其是舊城區(qū)房屋建筑（包含古建筑）多是土木、磚石結(jié)構(gòu)，通風(fēng)不良、光照不足等特點(diǎn)極適宜白蟻繁殖。而現(xiàn)階段的防治手段主要是大規(guī)模盲目使用藥物來進(jìn)行防治，這種方法不僅效率低下，而且因?yàn)樗幬锏臍埗緯r(shí)間長，對環(huán)境造成極大污染。

除了傳統(tǒng)的藥物防治技術(shù)外，現(xiàn)有的白蟻偵測物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還有SI4463短距離無線通信技術(shù)和長距離的LoRa技術(shù)（如SX1278），雖然二者都可以達(dá)到微安級(jí)的休眠電流，實(shí)現(xiàn)超低功耗，但各終端節(jié)點(diǎn)之間卻不能組網(wǎng)，所以也就無法實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)同步休眠和喚醒。如果有任意2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射數(shù)據(jù)就會(huì)造成數(shù)據(jù)擁堵而丟包，而且集中器需要24 h工作不能休眠，所以集中器必須采用市電220 V供電，還要做防雷處理，導(dǎo)致集中器硬件成本很高。

基于現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本文提出了一種基于ZigBee與NB?IoT技術(shù)的白蟻偵測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由大量偵測節(jié)點(diǎn)通過無線通信技術(shù)構(gòu)成的自組織網(wǎng)絡(luò)，集成了傳感器、計(jì)算機(jī)、嵌入式、無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，用來采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)被測對象的信息。利用傳感器感應(yīng)白蟻的存在狀態(tài)、電池電量等參數(shù)，通過ZigBee模塊和NB?IoT模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至云端服務(wù)器。采用同步休眠機(jī)制最大程度上降低系統(tǒng)功耗。工作人員可以通過上位機(jī)、智能手機(jī)APP隨時(shí)查看狀況，能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地通報(bào)蟻情，然后再對白蟻實(shí)施“精確打擊”。這樣既提高了防治效率，又不會(huì)造成環(huán)境污染，具有極高的實(shí)用價(jià)值。

1? 系統(tǒng)整體架構(gòu)

一個(gè)完整的白蟻偵測系統(tǒng)主要由多個(gè)分散式偵測節(jié)點(diǎn)、集中器、云端服務(wù)器以及終端設(shè)備組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

偵測節(jié)點(diǎn)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器和終端組成，主要負(fù)責(zé)連接各類傳感器并采集相關(guān)數(shù)據(jù)。集中器由ZigBee協(xié)調(diào)器和NB?IoT模塊組成，二者通過串口連接，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)組網(wǎng)、維持網(wǎng)絡(luò)并接收各個(gè)偵測節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù);ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口將集中器接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給NB?IoT模塊，再通過NB?IoT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，實(shí)現(xiàn)ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的連接。用戶可以通過手機(jī)、電腦、平板等終端設(shè)備登錄系統(tǒng)，實(shí)時(shí)查看相關(guān)信息。

2? 偵測裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際要求，本系統(tǒng)的白蟻偵測裝置由偵測節(jié)點(diǎn)和餌料組成。偵測節(jié)點(diǎn)中嵌有干簧管傳感器模塊，當(dāng)白蟻啃食餌料時(shí)將觸發(fā)干簧管傳感器的狀態(tài)發(fā)生改變。同時(shí)，由于偵測裝置在工作時(shí)是埋在地下的，需要對裝置進(jìn)行防水處理，必須使偵測節(jié)點(diǎn)處于一個(gè)封閉的環(huán)境中并與餌料隔離開來。白蟻偵測裝置模型如圖3所示。

圖中的偵測裝置埋于地下，頂部與地表平齊，圖中的“餌料”實(shí)為白蟻?zhàn)钕矚g啃食的白松木，白松木內(nèi)部已被鑿空，并填滿了玻璃珠沙，最上部放置一個(gè)圓柱形小磁鐵。白蟻的鼻子很靈敏，可以聞到土壤里面50 m外的白松木的氣味，當(dāng)白松木被白蟻啃食，內(nèi)部的玻璃珠沙就會(huì)漏出來，導(dǎo)致頂部的磁鐵下落，進(jìn)而使干簧管傳感器失去外部磁力而斷開，通過監(jiān)測干簧管傳感器的通斷可以判斷是否有白蟻入侵。

玻璃珠沙和普通沙子相比有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)，就是當(dāng)處于潮濕環(huán)境中或被水淹沒時(shí)，普通沙子會(huì)相互粘連，而玻璃珠沙即使泡在水中，也會(huì)有很好的流動(dòng)性，即使白蟻在白松木棒上邊啃食了一個(gè)小洞，玻璃珠沙都會(huì)漏出來，導(dǎo)致頂部的磁鐵下落。

圖3中頂部的電路板采用特殊工藝，用塑料外殼全密封，包括干簧管傳感器和電池一起全密封，具有很好的防水性能，平時(shí)無法更換內(nèi)部電路板的電池，所以采用了一次性鋰電池，而且要求鋰電池能夠使用3～5年不更換，這就對整個(gè)電路的低功耗提出了極為苛刻的要求。

2.1? 傳感器模塊設(shè)計(jì)

干簧管，也稱舌簧管或磁簧開關(guān)，是一種磁敏的特殊開關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。干簧管的工作原理非常簡單，2片端點(diǎn)處重疊的可磁化的簧片，由惰性氣體密封于一玻璃管中，兩簧片分隔的距離僅約幾微米，玻璃管中裝填有高純度的惰性氣體。在尚未操作時(shí)，2片簧片并未接觸，外加的磁場使2片簧片端點(diǎn)位置附近產(chǎn)生不同的極性，結(jié)果2片不同極性的簧片將互相吸引并閉合，干簧管作為一種機(jī)械開關(guān)，工作時(shí)不需要電源也不會(huì)產(chǎn)生任何形式的功耗，十分適合作為偵測裝置的傳感器。當(dāng)白蟻啃食餌料后，干簧管傳感器的狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。

2.2? 偵測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

偵測節(jié)點(diǎn)的主要功能是通過各類傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并以無線傳輸?shù)男问綄?shù)據(jù)發(fā)送給集中器。同時(shí)為了最大程度降低功耗，要求所有偵測節(jié)點(diǎn)均能長時(shí)間休眠并同步喚醒。其硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2.1? 偵測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

偵測節(jié)點(diǎn)中的ZigBee模塊選用德州儀器生產(chǎn)的CC2530，該芯片是ZigBee片上系統(tǒng)解決方案，基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，集成了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，具有業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051內(nèi)核，具有低成本、近距離、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率、低復(fù)雜度等特點(diǎn)。較藍(lán)牙、WiFi等無線技術(shù)，更適用于大范圍的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

由于整個(gè)系統(tǒng)均采用一次性鋰電池供電，為了提高系統(tǒng)的工作時(shí)間，必須采用定時(shí)的工作方式。整個(gè)偵測系統(tǒng)中的偵測節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集和上傳工作完成后，必須同步進(jìn)入休眠模式，休眠時(shí)間到后能夠同步喚醒。然而ZigBee終端、路由器的最大休眠時(shí)間只有511 s，且休眠定時(shí)器不夠精確。本設(shè)計(jì)采用MSP430F2001模塊作為ZigBee節(jié)點(diǎn)的“休眠保姆”。具體步驟為：由ZigBee協(xié)調(diào)器向網(wǎng)絡(luò)里的所有節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送一個(gè)休眠指令使所有偵測節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)入休眠，隨后協(xié)調(diào)器也進(jìn)入休眠狀態(tài)，這樣就保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)幾乎在同一時(shí)間內(nèi)進(jìn)入休眠狀態(tài);MSP430收到CC2530的休眠指令后立即進(jìn)入休眠計(jì)時(shí)，待計(jì)時(shí)時(shí)間滿之后則向CC2530發(fā)送喚醒信號(hào)（計(jì)時(shí)過程中產(chǎn)生的誤差很小且每個(gè)計(jì)時(shí)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間都相同），這樣就保證了所有節(jié)點(diǎn)的同步喚醒，所有節(jié)點(diǎn)連續(xù)休眠6 h的同步喚醒時(shí)間差可以控制在1 s以內(nèi)。

作為“休眠保姆”的MSP430包含一個(gè)16位精簡指令集CPU、各類外設(shè)和一個(gè)靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)。其體積小、價(jià)格低廉，主要特性為超低功耗架構(gòu)，實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式的電流僅為0.8 μA，能夠極大程度地延長電池壽命。

2.2.2? 偵測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

偵測節(jié)點(diǎn)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端、路由器與MSP430模塊組成，主要功能是采集各類傳感器數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。傳輸完成后等待接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的休眠指令，一旦接收到休眠指令，偵測節(jié)點(diǎn)隨即激活“休眠保姆”（MSP430模塊），設(shè)定定時(shí)時(shí)間后進(jìn)入休眠模式。等待MSP430模塊定時(shí)到時(shí)，再發(fā)送復(fù)位信號(hào)給ZigBee終端，路由器節(jié)點(diǎn)將其喚醒。其程序流程圖如圖6所示。

3? 集中器設(shè)計(jì)

集中器由ZigBee協(xié)調(diào)器和BC26模塊組成。協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)關(guān)的核心處理部分，一是具有自組網(wǎng)的功能，二是可以通過串口與BC26模塊相連，通過AT指令控制BC26模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)發(fā)送等。ZigBee協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)如圖7所示。

3.1? 集中器硬件設(shè)計(jì)

NB?IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是IoT領(lǐng)域新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，屬于低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，具有部署靈活、窄帶、低功耗、低成本、高容量、深度覆蓋、低功耗等特點(diǎn)，直接獲取IP地址便可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，具有直達(dá)云端的優(yōu)勢。單個(gè)NB?IoT節(jié)點(diǎn)向運(yùn)營商支付的業(yè)務(wù)費(fèi)也較低。

NB?IoT模塊選用BC26模組，BC26基于聯(lián)發(fā)科MT2625芯片平臺(tái)研發(fā)，支持全球頻段，客戶只需一個(gè)模組，即可覆蓋全球需求。BC26具有超小體積，能最大限度地滿足緊湊型終端設(shè)備的需求。

集中器中選用的ZigBee模塊與MSP430模塊與偵測節(jié)點(diǎn)中的相同。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器由于要維持網(wǎng)絡(luò)，一般而言無法進(jìn)入休眠，故同樣使用MSP430模塊作為“休眠保姆”。該設(shè)計(jì)中將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)與NB?IoT網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也要包含兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能。CC2530與BC26之間通過串口連接，ZigBee協(xié)議由Z?Stack協(xié)議棧處理，NB?IoT協(xié)議由BC26模塊處理，2種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的的數(shù)據(jù)交換主要為應(yīng)用層數(shù)據(jù)交換。NB?IoT網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收是通過串口發(fā)送AT指令給BC26模塊來進(jìn)行控制。

3.2? 集中器軟件設(shè)計(jì)

集中器主要由ZigBee協(xié)調(diào)器、BC26和MSP430模塊組成。協(xié)調(diào)器的主要作用是組建網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)與NB?IoT的對接，組建網(wǎng)絡(luò)成功后接收偵測節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)并通過NB?IoT模塊將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，ZigBee與NB?IoT模塊對接的核心問題在于數(shù)據(jù)交互，協(xié)調(diào)器需要將集中器的數(shù)據(jù)傳輸給NB?IoT模塊，并控制NB?IoT模塊將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。通常BC26模塊的初始化以及數(shù)據(jù)傳輸都是通過一系列AT指令來實(shí)現(xiàn)的，故只需要在協(xié)調(diào)器的應(yīng)用層程序中嵌入BC26模塊的初始化及數(shù)據(jù)上傳指令即可。所有的數(shù)據(jù)傳輸完成后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)廣播發(fā)送休眠指令，然后激活MSP430模塊并發(fā)送開始定時(shí)指令，之后協(xié)調(diào)器自身進(jìn)入休眠模式，BC26模塊通過設(shè)置T3324定時(shí)器同步進(jìn)入PSM休眠。當(dāng)MSP430模塊定時(shí)結(jié)束后發(fā)送復(fù)位信號(hào)喚醒協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器被喚醒后通過PWRKEY將BC26模塊從PSM喚醒，整個(gè)集中器重新開始工作，其流程如圖8所示。

每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)上面都有一個(gè)MSP430模塊作為“休眠保姆”，其主要功能是確保每一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都能夠同步休眠并同步喚醒，盡可能地減小系統(tǒng)功耗。MSP430模塊一上電就進(jìn)入休眠模式，在ZigBee節(jié)點(diǎn)完成相應(yīng)工作后被激活并開始定時(shí)，定時(shí)結(jié)束后通過給ZigBee模塊發(fā)送復(fù)位信號(hào)進(jìn)行喚醒，然后自身又進(jìn)入休眠。其軟件流程圖如圖9所示。

4? 系統(tǒng)的調(diào)試與分析

選用3個(gè)ZigBee模塊進(jìn)行測試，分別作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都嵌入了MSP430模塊作為“休眠保姆”，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)還與NB?IoT模塊相連接，可以通過節(jié)點(diǎn)上的指示燈來判斷設(shè)備的工作狀態(tài)。為了方便觀察現(xiàn)象，將節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間設(shè)定為6 h，一天自動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)4次。將所有節(jié)點(diǎn)上電，LED閃爍3次代表設(shè)備已正常運(yùn)行，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)通過NB?IoT模塊上傳至服務(wù)器。用戶可以在Web端實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)詳情，偵測節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)主要是ZigBee節(jié)點(diǎn)的MAC地址、傳感器數(shù)據(jù)、電池電量、累計(jì)工作時(shí)間和開關(guān)量。其中，MAC地址用于標(biāo)識(shí)偵測節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的MAC地址都是獨(dú)一無二的。開關(guān)量對應(yīng)干簧管傳感器的狀態(tài)，當(dāng)白蟻偵測裝置被觸發(fā)（即有白蟻存在）后，開關(guān)量為00，否則為01。數(shù)據(jù)詳情如圖10所示。

5? 結(jié)? 語

本系統(tǒng)結(jié)合ZigBee自組網(wǎng)、MSP430低功耗和NB?IoT直達(dá)廣域網(wǎng)的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)一套用于白蟻偵測的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。與現(xiàn)有的白蟻偵測手段相比，本系統(tǒng)采用新型的白蟻偵測裝置，經(jīng)試驗(yàn)表明具有高穩(wěn)定性、低誤報(bào)率的特點(diǎn);ZigBee與NB?IoT組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、連接節(jié)點(diǎn)多且具有較高的性價(jià)比;創(chuàng)新性地使用MSP430作為ZigBee節(jié)點(diǎn)的“休眠保姆”，實(shí)現(xiàn)了同步休眠、同步喚醒，解決了ZigBee協(xié)調(diào)器無法休眠的問題，最大程度上降低了系統(tǒng)功耗。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有成本低、覆蓋廣、功耗低、操作方便等特點(diǎn)，且具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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