無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集及分布式遠(yuǎn)程控制研究

陳經(jīng)緯

摘 要：構(gòu)建基于ZigBee的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集及分布式遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)以及相關(guān)協(xié)議的結(jié)合，可以對(duì)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采集，并且將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。這種操作方式可靠性高，而且能耗低，對(duì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)等技術(shù)領(lǐng)域都有著相當(dāng)大的應(yīng)用價(jià)值。文章詳細(xì)介紹系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)，希望對(duì)相關(guān)人員有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器;節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集;分布式遠(yuǎn)程控制

1?背景闡述

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使人們?cè)趯?duì)信息進(jìn)行處理的過(guò)程當(dāng)中擁有更快的速度，并且不斷地提高計(jì)算機(jī)與世界之間的聯(lián)系。而通過(guò)建立大量傳感器獲取數(shù)據(jù)，并且在中央服務(wù)器進(jìn)行處理，達(dá)到了十分高效的運(yùn)用效果。與此同時(shí)，遠(yuǎn)程控制技術(shù)也在高速地發(fā)展，這是一種以計(jì)算機(jī)通信技術(shù)為基礎(chǔ)的處理方法。而將兩者進(jìn)行結(jié)合，可以充分地對(duì)信息進(jìn)行反饋并且處理。這種運(yùn)用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)的方法，有效地融入了服務(wù)過(guò)程，起到了非常好的效果。因此這種技術(shù)不會(huì)受到時(shí)空的限制，并且可以使人力成本大大減少，使資源的利用率不斷擴(kuò)大。正是因?yàn)檫@一系列的優(yōu)點(diǎn)，許多研究單位也紛紛建立起相應(yīng)的研究平臺(tái)，并且通過(guò)其硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活的操作，使其可以運(yùn)用于不同的形式，讓遠(yuǎn)程技術(shù)能夠得到很大層面的推廣[1]。

當(dāng)前，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也在不斷的進(jìn)步。目前“互聯(lián)網(wǎng)+”這一理念應(yīng)用于很多的領(lǐng)域，如交通、工業(yè)等，不僅有利于人們對(duì)于理論的探索和系統(tǒng)的改進(jìn)，而且對(duì)各種發(fā)展模式以及各種路徑的研究和開(kāi)拓都有著相當(dāng)重要的意義，它可以進(jìn)一步促進(jìn)人們生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變。而本文主要是研究基于ZigBee的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集及分布式遠(yuǎn)程控制體系，通過(guò)對(duì)土壤中的一些含量數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明，并且運(yùn)用該系統(tǒng)，使用戶能夠在遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)采集的功能，網(wǎng)頁(yè)客戶端能夠收集主機(jī)的上傳數(shù)據(jù)[2]。

2?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在對(duì)遠(yuǎn)程無(wú)線控制系統(tǒng)的總體進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要兼顧網(wǎng)頁(yè)客戶端、服務(wù)端、主機(jī)端和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)等各方面。遠(yuǎn)程無(wú)線控制系統(tǒng)有上述多個(gè)構(gòu)建共同組成，任何一端出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行，其中無(wú)線傳感器扮演者信息收集和傳遞的作用，主要包括發(fā)送節(jié)點(diǎn)和調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)土壤中一些微量元素含量進(jìn)行采集，以及遠(yuǎn)程操控實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行。用戶可以在客戶端對(duì)遠(yuǎn)程無(wú)線控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)需要進(jìn)行的工作下達(dá)指令，并且通過(guò)通信模塊將指令代碼傳輸?shù)椒?wù)器。當(dāng)服務(wù)器接收到該代碼后，根據(jù)之前設(shè)定的協(xié)議使用該段代碼，同時(shí)將代碼信息傳輸給主機(jī)端。主機(jī)收到代碼后對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和編譯，并且將其放到實(shí)驗(yàn)中，如果該段編碼無(wú)法編譯，則認(rèn)定為編譯失敗，將錯(cuò)誤原因反饋給服務(wù)器和網(wǎng)頁(yè)客戶端，使得用戶知道問(wèn)題原因;如果編譯通過(guò)，則通過(guò)無(wú)線傳感器將代碼發(fā)送至ZigBee無(wú)線傳輸模塊，并且將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至調(diào)節(jié)器模塊，調(diào)節(jié)器在收到數(shù)據(jù)后將該數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)。同時(shí)服務(wù)器可以通過(guò)協(xié)議來(lái)使用該段數(shù)據(jù)信息，同時(shí)該段數(shù)據(jù)會(huì)保存在服務(wù)器中，作為數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)方便后續(xù)調(diào)閱歷史數(shù)據(jù)時(shí)使用[3]。

3?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1? ZigBee無(wú)線模塊

ZigBee技術(shù)作為一種最新興的通信技術(shù)，最為適用的方面是短距離通信，并且其含有自組織性、功耗低和穩(wěn)定等各種優(yōu)良的特性，相比起藍(lán)牙等通信技術(shù)，有著巨大的優(yōu)勢(shì)。而ZigBee技術(shù)憑借這種優(yōu)勢(shì)也成了目前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展最為重要的技術(shù)基礎(chǔ)之一，通過(guò)短距離無(wú)線傳輸，在工業(yè)、家居等領(lǐng)域得到了大規(guī)模的推廣。而在這種技術(shù)的應(yīng)用之下，相關(guān)的人員可以在設(shè)備上通過(guò)設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)，安裝在設(shè)備中。然后就可以使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)其整體構(gòu)成一個(gè)完整的傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。并且在這種系統(tǒng)的運(yùn)用時(shí)，能夠更好地實(shí)現(xiàn)各種信息之間的傳遞。

本系統(tǒng)在使用的時(shí)候，一般是通過(guò)CC2530作為微端控制器。在控制器之下的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以接收發(fā)送節(jié)點(diǎn)的信號(hào)源，并且進(jìn)一步對(duì)所接收的信息進(jìn)行處理。然后通過(guò)信息的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線傳輸，放置在CC2530的調(diào)節(jié)器中。而后這種調(diào)節(jié)器會(huì)將匯聚過(guò)來(lái)的所有數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線調(diào)試接口板進(jìn)一步傳送到主機(jī)端，而其具體的方法采用了CC2530的發(fā)送節(jié)點(diǎn)以及調(diào)節(jié)點(diǎn)。通過(guò)調(diào)試接口板以及相應(yīng)的仿真器和主機(jī)進(jìn)行聯(lián)系，并且將所編譯的節(jié)點(diǎn)下載之后，使用調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)線轉(zhuǎn)口將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，并進(jìn)一步顯示。

3.2? 傳感器模塊

本系統(tǒng)在使用的過(guò)程中，其硬件也有一定的優(yōu)良程度。比如，當(dāng)系統(tǒng)在使用傳感器對(duì)土壤當(dāng)中的微量元素進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以首先確定較為合適的地點(diǎn)，并且需要避開(kāi)因?yàn)橐恍┦瘔K或堅(jiān)硬的物體而導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差。之后對(duì)需要測(cè)試的深度進(jìn)行發(fā)掘，并且將其表層土拋開(kāi)，使得將要測(cè)試的土壤能保持一定的松軟程度。然后，可以將傳感器直接插入土壤。在這個(gè)過(guò)程中，土壤檢測(cè)一共需要4根接線，它們分別負(fù)責(zé)電源正負(fù)以及外接電源的正負(fù)。通過(guò)與相應(yīng)的模塊連接并且轉(zhuǎn)換，可以與CC2530發(fā)送節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系。這樣可以準(zhǔn)確地對(duì)土壤中的一些微量元素進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并且及時(shí)地通過(guò)傳感器將數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳送出去。

4?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1? 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)端

在系統(tǒng)的軟件中，第一步要運(yùn)用的是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)端。它通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)以及調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)的組合，實(shí)現(xiàn)程序中的數(shù)據(jù)采集功能。其具體的內(nèi)容可以定義各種函數(shù)并初始化，之后可以將數(shù)據(jù)進(jìn)一步的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，并且對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行格式的規(guī)定等。在使用CC2530的發(fā)送節(jié)點(diǎn)時(shí)，其流程一般都是先通過(guò)各種配置好的參數(shù)初始化，然后按照相應(yīng)的格式發(fā)送代碼。之后傳感器就會(huì)接收這些數(shù)據(jù)，如果成功，就會(huì)通過(guò)指示燈閃爍來(lái)進(jìn)行提示。在CC2530調(diào)節(jié)器節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行工作的時(shí)候，其節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)ZigBee的組成實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。并且當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好之后，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)就開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，然后將接收過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)一步發(fā)給主端機(jī)。

4.2? 主機(jī)端

在系統(tǒng)軟件中，主機(jī)端主要負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)和發(fā)布數(shù)據(jù)，訂閱并下載相應(yīng)代碼，編譯并下載代碼等功能。當(dāng)主機(jī)端在使用過(guò)程中，其主要的組成部分就包括接聽(tīng)程序文件、批量處理程序以及訂閱和發(fā)布的程序。文件批量處理程序主要是運(yùn)用下載于各種服務(wù)端傳輸過(guò)來(lái)的代碼，并且用命令將其實(shí)現(xiàn)文件的編譯和下載。然后通過(guò)訂閱和發(fā)布程序，發(fā)布主題端所需要訂閱的各種代碼以及數(shù)據(jù)。其主要的流程就是首先通過(guò)代碼接收串口數(shù)據(jù)之后，驗(yàn)收數(shù)據(jù)是否正確，如果正確，可以進(jìn)行進(jìn)一步的發(fā)布。

4.3? 服務(wù)器端

云服務(wù)器一般會(huì)采取不同的數(shù)據(jù)庫(kù)，比如MQTT服務(wù)器、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)等。其中MQTT服務(wù)器主要包括對(duì)Web服務(wù)器的快速安裝和配置，用于具體消息的訂閱和發(fā)布。之后運(yùn)用HTTP服務(wù)器，通過(guò)對(duì)主機(jī)的服務(wù)器下載相應(yīng)的代碼;SQL數(shù)據(jù)庫(kù)主要的功能就是數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，并可翻看歷史數(shù)據(jù)。此外，一些通信技術(shù)使客戶端實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器之間的信息交換，并進(jìn)一步地傳輸數(shù)據(jù)。其具體的流程是首先通過(guò)訂閱數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的解析處理，之后檢測(cè)數(shù)據(jù)的正確性，如果正確，數(shù)據(jù)就會(huì)直接存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

4.4? 網(wǎng)頁(yè)客戶端

在軟件中，網(wǎng)頁(yè)客戶端主要實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能：第一，使用戶能夠編寫相應(yīng)的代碼，并且對(duì)無(wú)線節(jié)點(diǎn)端提交;第二，及時(shí)展示采集到的信號(hào)源信息。當(dāng)用戶在使用網(wǎng)頁(yè)端的時(shí)候，可以通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)的文件選擇一定的文件代碼，并且通過(guò)上傳按鈕傳輸。構(gòu)建相應(yīng)的HTTP請(qǐng)求，并且借助一定的對(duì)象將文件傳輸?shù)皆贫?。但是?dāng)代碼出現(xiàn)解析失敗的情況，主機(jī)會(huì)通過(guò)服務(wù)器將具體的說(shuō)明返回網(wǎng)頁(yè)端，這時(shí)需要進(jìn)一步的改進(jìn)。而當(dāng)編譯出現(xiàn)通過(guò)的情況，相應(yīng)的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)串口發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)在接收之后，就會(huì)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步地傳入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。之后網(wǎng)頁(yè)端就可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)表的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)。

5結(jié)果與分析

在對(duì)土壤微量元素進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中，為了使結(jié)果具有更好的穩(wěn)定性，應(yīng)該進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。收集串口接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并且將其編號(hào)，然后通過(guò)各種數(shù)據(jù)的分析逐一顯示。之后利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的查詢功能，逐一體現(xiàn)主機(jī)號(hào)以及數(shù)據(jù)。而通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究，可以看到系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)用戶的遠(yuǎn)程控制，并且基于ZigBee系統(tǒng)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，及時(shí)顯示數(shù)據(jù)中所保存的信息。對(duì)比之前的協(xié)議數(shù)據(jù)方案，其系統(tǒng)具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，可靠性高、具有良好的擴(kuò)展性、功耗低、使用范圍廣。而在使用過(guò)程中，服務(wù)器基于MQTT協(xié)議，可以進(jìn)一步發(fā)布和訂閱信息，通過(guò)對(duì)信息的發(fā)布解除對(duì)程序的耦合，并且在連接網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候還可以達(dá)到開(kāi)銷很小的效果。在系統(tǒng)運(yùn)用時(shí)，將所采取的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中，能夠與歷史的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的比較，并且使相關(guān)人員及時(shí)地監(jiān)控信息。

[參考文獻(xiàn)]

[1]顧逸楓，張正華，沈逸，等.無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集及分布式遠(yuǎn)程控制[J].無(wú)線電工程，2020（8）：661-665.

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[3]景鴻鵬.基于數(shù)據(jù)聚合的無(wú)源無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2019.

（編輯 傅金睿）