淺談基于6LowPan的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

甘奧博 李鑫苗 冀志豪 李 創(chuàng) 劉左龍

（中國民航大學(xué) 天津 300300）

1 基于6LowPan的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計背景

近年來，隨著人們生活質(zhì)量的逐步改善，使之對生活品質(zhì)有了更高的要求，同時對環(huán)境感知的敏感度也越來越高。針對傳統(tǒng)的環(huán)境感知的低效率，使得采取有效措施精確探測各處環(huán)境數(shù)據(jù)更有積極意義。本文特設(shè)計出可以適用于多使用背景的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于6LowPan技術(shù)，使用低能耗、大場景、高密度的cc2538芯片，通過溫濕度傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，再通過服務(wù)器解釋所接收到的數(shù)據(jù)，傳送到數(shù)據(jù)庫存儲，最終呈現(xiàn)在Web界面，極大的方便了使用者對各場景環(huán)境的監(jiān)測。

2 基于6LowPan的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的架構(gòu)

2.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)

環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由多組環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點、服務(wù)器節(jié)點以及環(huán)境數(shù)據(jù)顯示平臺三部分組成。

其中，環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要實現(xiàn)多個不同地點的環(huán)境數(shù)據(jù)采集，采集節(jié)點讀到數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)簡易地顯示在LED顯示屏上，同時在傳感網(wǎng)里通過IPv6進行數(shù)據(jù)傳遞，傳到特定網(wǎng)關(guān)后，通過服務(wù)器節(jié)點的中間件來對所接收到的數(shù)據(jù)進行匯總和處理，進而將處理過的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫，最終在Web界面實現(xiàn)對各個傳感器所在位置的環(huán)境數(shù)據(jù)的實時處理。具體流程如圖1所示。

圖1：環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點的架構(gòu)設(shè)計

環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要由溫濕度傳感器、LED顯示屏、cc2538芯片以及若干節(jié)1.5V供電電池組成的電源模塊構(gòu)成，如圖2所示。

圖2：環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點架構(gòu)

2.3 環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)器節(jié)點的架構(gòu)設(shè)計

環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)器節(jié)點主要由cc2538芯片、網(wǎng)絡(luò)模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊和供電電源模塊組成，其中，服務(wù)器節(jié)點通過網(wǎng)線連接網(wǎng)絡(luò)模塊和路由器通網(wǎng)，連接如圖3所示。

圖3：環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)器節(jié)點架構(gòu)

3 環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要元器件選型分析

3.1 單片機的選取

采集節(jié)點和服務(wù)器節(jié)點的單片機的選取，主要考慮了編程特點、價格、串行接口數(shù)量、能耗、生存環(huán)境等方面因素，最終采用由TI公司推出的CC2538芯片，該芯片具有豐富的例程源代碼，便于開發(fā)學(xué)習(xí)和使用。且該芯片是一款集成性ARM Cortex-M3內(nèi)核實現(xiàn)對集中網(wǎng)絡(luò)的高效處理的芯片，支持6LowPan、ZigBee以及其他諸如802.15.4與Ipv6等基于IP的標(biāo)準(zhǔn)。此外該芯片通過集成性引腳對引腳兼容的8K至32K RAM選項可實現(xiàn)最大的靈活性，對代碼運行有足夠的空間，同時該芯片對電池供電應(yīng)用進行了優(yōu)化，符合本系統(tǒng)對低能耗的要求。

3.2 溫濕度傳感器的選取

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，是一款含有已校準(zhǔn)信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感器傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有優(yōu)質(zhì)的可靠性和長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC測溫元件，并與一個高性能8為單片機相連接。因此該產(chǎn)品抗干擾能力強、性價比高且體積小，符合本系統(tǒng)的要求。

不過該傳感器的濕度調(diào)控范圍一般在0-90%RH，其中濕度精度為±其中濕度，溫度在0-50℃范圍內(nèi)，精度為±圍內(nèi)；采集節(jié)點焊接時應(yīng)注意與電路板之間留一條縫隙，以防溫度影響，手動焊接時在最高300℃的溫度條件下接觸時間須少于3秒；平時避免紫外線暴曬，以免影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

3.3 網(wǎng)絡(luò)模塊的選取

以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，是應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)。它可以在半雙工或全雙工兩種模式下工作，且采用了帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問機制。ENC28J60是帶有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口的獨立以太網(wǎng)控制器，它能夠兼容IEE802.3協(xié)議的以太網(wǎng)控制器，且數(shù)據(jù)沖突時可編程自動重發(fā)，接口速度快。該網(wǎng)絡(luò)模塊的工作電壓范圍為3.14至3.45V，溫度范圍為0℃至70℃，各方面符合本系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)連接的要求。

該模塊用于服務(wù)器節(jié)點，通過ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊實現(xiàn)單片機的以太網(wǎng)功能，從而獲取網(wǎng)絡(luò)IP地址后可供采集節(jié)點向該IP地址即服務(wù)器節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。

4 環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分主要在虛擬機 Contiki操作系統(tǒng)環(huán)境下進行，它適用于嵌入式系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過在對例程源代碼的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)采集節(jié)點的開發(fā)與實現(xiàn)。服務(wù)器端通過串口調(diào)試助手來進行顯示下機位發(fā)來的數(shù)據(jù)從而便于調(diào)試。由下機位通過串口將數(shù)據(jù)上傳到PC，存入數(shù)據(jù)庫中，本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用Navicat軟件。最終Web界面的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)通過MyEclipse軟件搭載Spring框架，PC最終將數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在可視化的界面，可供用戶清楚環(huán)境數(shù)據(jù)的變化與狀態(tài)。

5 環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測試

5.1 數(shù)據(jù)傳輸距離測試

無線網(wǎng)信號的傳輸質(zhì)量、節(jié)點之間的距離節(jié)點工作環(huán)境的多樣性都影響著數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，選取合適的傳輸位置與節(jié)點間距離，能夠有效保證無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸過程的有效性，提高環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作效率。為探究數(shù)據(jù)采集節(jié)點和服務(wù)器節(jié)點在無線網(wǎng)絡(luò)中的各種環(huán)境下的最大傳輸距離，在校園內(nèi)無遮擋和有遮擋的條件下進行了對比試驗與探究。實驗過程中采用紅外測距儀進行測距，在實驗環(huán)境為室外15攝氏度左右、無風(fēng)無雨且兩節(jié)點之間墻壁等障礙物無遮擋的情況下，數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)淖畲笥行Ь嚯x為69.6米；在同樣的室外環(huán)境條件下，將服務(wù)器節(jié)點置于宿舍陽臺，數(shù)據(jù)采集節(jié)點置于陽臺外同方向室外，在兩節(jié)點之間以墻壁作為障礙物，數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)淖畲笥行Ь嚯x為18.7米。

5.2 系統(tǒng)持續(xù)性測試

節(jié)點工作環(huán)境的多樣性無法保證每一個節(jié)點都能無限通過電源適配器供電且不易于安置，因此選取合適的電池組為采集節(jié)點和服務(wù)器節(jié)點供電，可以有效縮小節(jié)點的體積，便于移動與安置。而電池組的工作持續(xù)時間也極大影響了該系統(tǒng)的工作效率和人力資源。實驗過程中采用五節(jié)1.5V芯電池，每分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)且?guī)聊伙@示的情況下，能持續(xù)工作4天零3小時左右，能夠保證該系統(tǒng)工作的需要。

6 環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的現(xiàn)實應(yīng)用

該系統(tǒng)應(yīng)用范圍廣泛，應(yīng)用場景多樣，可以大幅度節(jié)約人力、物力，提高環(huán)境監(jiān)測效率。本系統(tǒng)只添加了溫濕度傳感器，除此之外，還可以添加二氧化碳濃度傳感器、壓力傳感器等，結(jié)合不同的數(shù)據(jù)傳感器，可以應(yīng)用于不同場景，實現(xiàn)不同的功能?？梢杂糜谛@，置于多個采集節(jié)點放在教室，用來監(jiān)測教室溫濕度，比如夏季教室溫度過低時，教學(xué)樓工作人員可及時調(diào)控教室空調(diào)溫度以防學(xué)生感冒；可以用于智能家居，將結(jié)合多個傳感器的采集節(jié)點置于空巢老人家中，通過監(jiān)測室內(nèi)氣體濃度變化來判斷老人有無異常，以便家人實現(xiàn)對老人的“智能看護”；可以用于種植蔬菜、水果等的大棚，從生長階段到采摘存儲階段都實現(xiàn)對環(huán)境數(shù)據(jù)的智能監(jiān)控，實時報警，從而提高果蔬品質(zhì)。諸如此類，環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種場景且具有成本低、高效率的特點，值得廣泛使用。

7 結(jié)束語

本系統(tǒng)應(yīng)用可以根據(jù)不同情境，結(jié)合不同類型的傳感器實現(xiàn)多功能應(yīng)用。不過本系統(tǒng)在實現(xiàn)過程中也有諸多需要改進與再考量之處。無線電的傳輸可能偶會發(fā)生不穩(wěn)定的情況，還需要進一步尋找解決方案改善提高；電路板的插線接口較為脆弱，需要仔細存放，后期可以進行電路板連接改良，保證電路板插線穩(wěn)定不易斷；關(guān)于供電電池的選取后期也可再進行多次實驗，選取可保證不同種類數(shù)據(jù)傳感器最大工作效能的電池組。此外，還需要進一步對所采集的數(shù)據(jù)進行實時呈現(xiàn)與應(yīng)用，提高系統(tǒng)的實用性。