基于ZigBee 技術(shù)的公共實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

馮 偉，彭 力

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

0 引 言

公共實(shí)驗(yàn)室屬于開(kāi)展教學(xué)與科研活動(dòng)的核心場(chǎng)地，實(shí)驗(yàn)室中不僅存在很多類(lèi)型操作儀器，還存在大量易燃易爆等安全性較低的物品，且實(shí)驗(yàn)室流動(dòng)人口較多，經(jīng)常出現(xiàn)火災(zāi)、污染等情況[1-2]。

怎樣保護(hù)公共實(shí)驗(yàn)室安全是目前各個(gè)公共實(shí)驗(yàn)室管理人員正在努力解決的問(wèn)題[3]。本文圍繞此問(wèn)題進(jìn)行深入探究，按照實(shí)用、可靠、有效的原則，使用近幾年新出的無(wú)線通信技術(shù)——ZigBee 技術(shù)，構(gòu)建基于ZigBee 技術(shù)的公共實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，使用ZigBee 技術(shù)建立無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，完成公共實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的全面覆蓋，使用ZigBee 傳感器采集公共實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)公共實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 基于ZigBee技術(shù)的公共實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ZigBee 技術(shù)的公共實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示?；赯igBee 技術(shù)的公共實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中兩個(gè)核心模塊是ZigBee 傳感器模塊、協(xié)調(diào)器模塊。ZigBee 傳感器模塊可采集公共實(shí)驗(yàn)室安全數(shù)據(jù)，采集后通過(guò)協(xié)調(diào)器模塊傳輸至PC 機(jī)，PC 機(jī)將ZigBee 傳感器模塊采集的公共實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)向用戶展示，公共實(shí)驗(yàn)室中溫濕度信息、煙霧信息、紅外信息以及電流信息[4-6]。

圖1 基于ZigBee 技術(shù)的公共實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中ZigBee傳感器模塊、協(xié)調(diào)器模塊統(tǒng)稱為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能子系統(tǒng)，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能子系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及采集節(jié)點(diǎn)三種器件構(gòu)成[7]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及采集節(jié)點(diǎn)的硬件框圖分別如圖2～圖4 所示。

圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件框圖

圖3 路由器節(jié)點(diǎn)硬件框圖

圖4 采集節(jié)點(diǎn)硬件框圖

1）協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的核心，屬于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的管理節(jié)點(diǎn)[8-9]。采集節(jié)點(diǎn)所獲取的公共實(shí)驗(yàn)室環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)集合轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中，通過(guò)它和PC 機(jī)實(shí)施通信。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)包含CC2530 數(shù)據(jù)處理單元、射頻單元、RS 232 通信單元、電源、電壓轉(zhuǎn)換單元、按鍵電路、時(shí)鐘、LCD 顯示單元、LED 單元。CC2530數(shù)據(jù)處理單元可管理數(shù)據(jù)與節(jié)點(diǎn)，RS 232 通信單元屬于協(xié)調(diào)器和PC 機(jī)溝通的載體，該單元的核心網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為ZigBee 技術(shù)。電源可實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，保證系統(tǒng)電壓平穩(wěn)。按鍵電路可管理節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)入與去除。LCD 顯示單元能夠顯示節(jié)點(diǎn)目前的運(yùn)行狀況和其他信息。LED 單元屬于LED 燈開(kāi)關(guān)管理單元。

2）路由器節(jié)點(diǎn)由CC2530 數(shù)據(jù)處理單元、射頻單元、電源、時(shí)鐘、電壓轉(zhuǎn)換單元、按鍵電路以及LED 單元組成。路由器節(jié)點(diǎn)是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的精簡(jiǎn)版，屬于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的附屬節(jié)點(diǎn)，硬件結(jié)構(gòu)功能與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)單元功能一致。

3）采集節(jié)點(diǎn)中包含CC2530 數(shù)據(jù)處理單元、SHT11溫濕度傳感器單元、射頻單元、按鍵電路以及LED 單元。時(shí)鐘、LED 單元、按鍵電路、射頻單元和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中的功能具有一致性，此節(jié)點(diǎn)主要為了采集公共實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境數(shù)據(jù)[10]。

1.2 基于ZigBee 技術(shù)的分簇算法

1.2.1 簇的詳細(xì)劃分

基于ZigBee 技術(shù)的公共實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的能量不存在約束，基于ZigBee 技術(shù)的分簇算法通過(guò)集中式方法實(shí)現(xiàn)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分簇和簇頭選擇，在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)初始化進(jìn)程里，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以集中式模式將所有網(wǎng)絡(luò)區(qū)域根據(jù)對(duì)應(yīng)的規(guī)則實(shí)施分簇[11-12]。分簇規(guī)則為：圍繞協(xié)調(diào)器為中心，構(gòu)建二維坐標(biāo)軸，在坐標(biāo)軸兩側(cè)設(shè)置ZigBee 網(wǎng)絡(luò)參考節(jié)點(diǎn)，各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)位置需要實(shí)施固化，按照監(jiān)控范圍大小設(shè)置。將監(jiān)控范圍看作一個(gè)圓形，圓形范圍半徑設(shè)成r，定位各個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，定位方法是基于RSSI 測(cè)距的三邊定位法：

式中RSSI 為ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

各個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)距離d 的大小為：

式中：A 是監(jiān)測(cè)的環(huán)境信號(hào)強(qiáng)度；n 屬于常數(shù)，表示信號(hào)傳輸和環(huán)境間的關(guān)聯(lián)性。運(yùn)算ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距后，使用三邊定位算法可獲取節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值。

分簇后，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)中協(xié)調(diào)器坐標(biāo)位置是（0，0），將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)位置設(shè)成( x1,y1)，( x2,y2)，( x3,y3)，三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)至未知節(jié)點(diǎn)的距離依次是d1，d2，d3，那么：

未知節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為：

使用上述方法能獲取全部ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。把網(wǎng)絡(luò)分為相同的n 個(gè)簇，各簇的扇形角度θ 為：

設(shè)置y 軸正半軸區(qū)域和x 軸正半軸夾角θ 的范圍是簇1，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)里節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)成( x,y )，那么它和x 軸的夾角是θ′。

式中sin θ′表示正弦角值。

式中round 是Excel 中的一個(gè)基本函數(shù)。

1.2.2 簇頭節(jié)點(diǎn)選擇

簇頭屬于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)分簇里的核心，本文使用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加權(quán)值選擇簇頭節(jié)點(diǎn)[13]。選擇過(guò)程需注意每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)至協(xié)調(diào)器的距離。

使用RSSI 值描述兩個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距，RSSI使用鏈路質(zhì)量LQI 變換獲取，變換方法如下：

RSSI 與LQI 能夠在CC2530 數(shù)據(jù)處理單元中獲取，兩個(gè)值都屬于二進(jìn)制補(bǔ)碼，在CC2530 數(shù)據(jù)處理單元獲取數(shù)值后，必須實(shí)施變換才能獲取RSSI 值，將節(jié)點(diǎn)間距接收值RSSIdec和128 進(jìn)行對(duì)比，若高于128，實(shí)際ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距RSSI 值為：

若低于128，其值為：

式中RSSIoffset屬于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距經(jīng)驗(yàn)值，代表增益值。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量為：

式中，Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i 的剩余能量是fi( s )；ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)i在第j簇里全部的節(jié)點(diǎn)能量均值為fi,j( s )。

式中，Ni,j表示第j簇中存在i個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。

1.2.3 簇的輪轉(zhuǎn)

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)工作一段時(shí)間后，剩余能量變小，若仍作為簇頭節(jié)點(diǎn)，將致使其生命周期耗盡，出現(xiàn)監(jiān)控信息丟包率較大的情況。為處理此問(wèn)題，本文使用簇頭節(jié)點(diǎn)輪轉(zhuǎn)方法，再次選取簇頭節(jié)點(diǎn)優(yōu)化ZigBee 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量[14-15]。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)輪轉(zhuǎn)方式主要通過(guò)協(xié)調(diào)器下達(dá)輪轉(zhuǎn)指令，此輪轉(zhuǎn)耗時(shí)不具有固定性，輪轉(zhuǎn)耗時(shí)和丟包率存在直接聯(lián)系。分簇輪轉(zhuǎn)時(shí)，協(xié)調(diào)器將下達(dá)指令：在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)已有角度中引入α°，通過(guò)式（8）分辨自身所在簇，實(shí)現(xiàn)簇的輪轉(zhuǎn)，降低ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)耗損度，優(yōu)化ZigBee 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將本文系統(tǒng)應(yīng)用在某醫(yī)學(xué)院實(shí)訓(xùn)節(jié)能中心2 層，此層公共實(shí)驗(yàn)室一共18個(gè)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境是：走廊全長(zhǎng)100 m，走廊左側(cè)分別是201 室、202 室、203 室、204 室、205 室、206室、207室、208室、209室、210室；右側(cè)分別是211室、212 室、213 室、214 室、215 室、216 室、217 室、218 室。把PC 機(jī)與協(xié)調(diào)器放在該學(xué)院某個(gè)屋子內(nèi)，將路由器節(jié)點(diǎn)放在走廊中，把采集節(jié)點(diǎn)放在剩余屋子內(nèi)，采集節(jié)點(diǎn)將采集獲取的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)傳輸至路由器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器和PC 機(jī)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信，在PC 機(jī)中可清晰看到該學(xué)院公共實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度、濕度、煙霧、紅外圖像、電流信息。實(shí)驗(yàn)使用的硬件分別是PC 機(jī)CC2530 實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板、仿真器、串口線。使用的軟件分別是串口助手、IAR EW for 8051。

1）丟包率計(jì)算

為了計(jì)算本文系統(tǒng)中ZigBee 網(wǎng)絡(luò)丟包率，設(shè)定兩個(gè)測(cè)試方案為：

方案一：排除路由器，主要通過(guò)PC 機(jī)和協(xié)調(diào)器通信；

方案二：在走廊里設(shè)置路由器轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

測(cè)試兩種方案下，公共實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)數(shù)據(jù)丟包率。丟包率計(jì)算方法為：

式中Rc，Tc分別是接收的溫度數(shù)據(jù)包數(shù)量、實(shí)際溫度數(shù)據(jù)包數(shù)量。

兩種情況下，溫度、濕度、煙霧、紅外圖像、電流信息的丟包率計(jì)算結(jié)果如圖5，圖6 所示。

圖5 方案一丟包率計(jì)算結(jié)果

圖6 方案二丟包率計(jì)算結(jié)果

對(duì)比圖5 與圖6 可知：方案二中，對(duì)該公共實(shí)驗(yàn)室溫度、濕度、煙霧、紅外圖像、電流信息的監(jiān)控丟包率均低于方案一，由此可知本文系統(tǒng)中加入路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性。

基于ZigBee 技術(shù)的分簇算法中，簇頭輪轉(zhuǎn)可均衡ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的能量消耗情況，而輪轉(zhuǎn)時(shí)間t 十分關(guān)鍵，如果輪轉(zhuǎn)時(shí)間較長(zhǎng)，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)能量消耗量較多，剩余簇能量消耗量較少，簇的節(jié)點(diǎn)能量將出現(xiàn)不均衡情況，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)在傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)丟包率將較大。為此，本文系統(tǒng)需要設(shè)置合理的輪轉(zhuǎn)時(shí)間，不同輪轉(zhuǎn)時(shí)間下，丟包率測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。

圖7 不同輪轉(zhuǎn)時(shí)間下丟包率計(jì)算結(jié)果

由圖7 可知，當(dāng)輪轉(zhuǎn)時(shí)間是10 s 時(shí)，本文系統(tǒng)對(duì)公共實(shí)驗(yàn)室環(huán)境信息監(jiān)控丟包率最小，為0.005，此時(shí)系統(tǒng)監(jiān)控性能最佳，為此在實(shí)際應(yīng)用與下文實(shí)驗(yàn)中，簇頭輪轉(zhuǎn)時(shí)間設(shè)成10 s。

2）監(jiān)控精度計(jì)算

以205室為例，使用本文系統(tǒng)對(duì)該室2019年5月15日10：00，11：00，12：00，13：00，14：00，15：00 的溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控結(jié)果如圖8 所示。

分析圖8可知，本文系統(tǒng)對(duì)該公共實(shí)驗(yàn)室2019年5月15 日6 個(gè)時(shí)間段中溫度監(jiān)控誤差為0.2 ℃，濕度監(jiān)控誤差是0.5%RH，誤差較小，不影響整體監(jiān)控精度。由此可見(jiàn)本文系統(tǒng)可準(zhǔn)確監(jiān)控公共實(shí)驗(yàn)室溫濕度信息。

3 結(jié) 語(yǔ)

為了優(yōu)化公共實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控效果，設(shè)計(jì)了基于ZigBee 技術(shù)的公共實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證其可有效監(jiān)控公共實(shí)驗(yàn)室環(huán)境情況，且監(jiān)控過(guò)程中，監(jiān)控信息丟包率較低。但本文系統(tǒng)所采用的CC2530 數(shù)據(jù)處理單元屬于8 位處理器，數(shù)據(jù)處理速度有待提升，所以，在后續(xù)的測(cè)試應(yīng)用中，可將其換成32 位的ARM主控芯片，以此可提升本文系統(tǒng)監(jiān)控時(shí)數(shù)據(jù)傳輸速度。

圖8 溫濕度監(jiān)控精度測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)軟件中所采用的基于ZigBee 技術(shù)的分簇算法，雖然可以優(yōu)化監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量，但是此算法的導(dǎo)入將提升系統(tǒng)應(yīng)用成本，在未來(lái)的研究工作中，將圍繞此問(wèn)題進(jìn)行深入研究，對(duì)本文系統(tǒng)的使用效果和使用成本進(jìn)行優(yōu)化。