基于ZigBee的室內(nèi)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆張亞林

基于ZigBee的室內(nèi)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

◆張亞林

（廣州應(yīng)用科技學(xué)院 廣東 511370）

本文基于WSN實(shí)現(xiàn)其中的各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地?zé)o線傳輸給主控節(jié)點(diǎn)。

WSN；無線傳感節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)采集傳輸

1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)功能概述

本文利用ZigBee節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器組建WSN作為室內(nèi)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，通過設(shè)計(jì)無線傳感監(jiān)測節(jié)點(diǎn)對室內(nèi)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)有效監(jiān)測控制，從而實(shí)現(xiàn)全方位的安全監(jiān)測。

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)完成對具體設(shè)備的控制，同時(shí)接受協(xié)調(diào)器的控制，并完成與協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)交互。

2 數(shù)據(jù)采集流程設(shè)計(jì)

對于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)備，需要定期收集數(shù)據(jù)，并且可以通過讀取傳感器來實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)。同時(shí)還要通過協(xié)調(diào)器接收轉(zhuǎn)發(fā)的用戶控制命令，實(shí)現(xiàn)用戶對設(shè)備的控制[1]，流程如圖1所示。

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)備主要有4項(xiàng)功能：（1）節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器匯報(bào)、（2）組網(wǎng)成功、（3）節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)成功后主動(dòng)發(fā)送MAC地址給協(xié)調(diào)器進(jìn)行登記、（4）監(jiān)測節(jié)點(diǎn)開啟定時(shí)事件，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)備的工作。

將兩個(gè)工程的PANID設(shè)置為同一個(gè)值。將協(xié)調(diào)器工程燒入?yún)f(xié)調(diào)器。將節(jié)點(diǎn)工程燒寫入一個(gè)節(jié)點(diǎn)，作為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)（監(jiān)測設(shè)備）。將節(jié)點(diǎn)工程的SampleApp.c中第187行“#define END_MONITOR”注釋掉，再燒寫入一個(gè)節(jié)點(diǎn)，作為控制節(jié)點(diǎn)。用串口線將PC機(jī)和協(xié)調(diào)器連接，啟動(dòng)“串口調(diào)試助手和驅(qū)動(dòng)串口聊天助手”，配置端口選擇、配置設(shè)備管理器中顯示的COM口，設(shè)置波特率。重啟協(xié)調(diào)器和監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，即可查看協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)，包括監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的注冊數(shù)據(jù)以及定時(shí)發(fā)出的采集到的溫濕度等傳感器數(shù)據(jù)。關(guān)閉監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)，可以看到控制節(jié)點(diǎn)的注冊數(shù)據(jù)，復(fù)制后粘貼到發(fā)送區(qū)，點(diǎn)擊發(fā)送，表示協(xié)調(diào)器發(fā)送控制信號給控制節(jié)點(diǎn)，改變控制節(jié)點(diǎn)上燈的閃動(dòng)狀態(tài)。

圖1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作流程圖

3 WSN監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)調(diào)用相關(guān)的傳感器采集數(shù)據(jù)，并打包傳送給協(xié)調(diào)器。并根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)判斷節(jié)點(diǎn)的具體狀態(tài)。根據(jù)人體感應(yīng)模塊，判斷有沒有人入侵；根據(jù)煙霧模塊判斷是否有火情警報(bào)；根據(jù)溫濕度判斷是否有火情和爆水管。這些具體的狀態(tài)也要打包上傳給協(xié)調(diào)器，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲

節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連接成功后，將主動(dòng)發(fā)送MAC地址給協(xié)調(diào)器執(zhí)行登記，然后啟動(dòng)定時(shí)事件進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)匯報(bào)，如圖2所示。

圖3 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸過程

在定時(shí)事件到來時(shí)，調(diào)用SampleApp_SendPeriodicMessage( )實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯報(bào)到協(xié)調(diào)器[2]，如圖4所示。

4 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與WSN控制節(jié)點(diǎn)的交互

WSN控制節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)組網(wǎng)、和網(wǎng)關(guān)通過串口進(jìn)行交互、收集監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)發(fā)指令到監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。

在控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備建立無線網(wǎng)絡(luò)后，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入，然后監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)備周期性地采集[26]數(shù)據(jù)并將其發(fā)送給控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

在Z-STACK中，控制節(jié)點(diǎn)調(diào)用SampleApp_Message MSGCB（afIncomingMSGPacket_t *pkt）中的數(shù)據(jù)包協(xié)議解析函數(shù)uint8 Monitor_analysis（）將接收到的數(shù)據(jù)封裝放到自定義的數(shù)組中。

for i<-0 to 16

do Netrecv_data[i] = pkt->cmd.Data[i]

控制節(jié)點(diǎn)用來收集監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)8位。解析Zigbee無線包數(shù)據(jù)。根據(jù)功能碼，將各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲到對應(yīng)位置。發(fā)送指令到監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，如圖5所示。

圖4 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)備的無線數(shù)據(jù)廣播通信實(shí)現(xiàn)流程

圖5 協(xié)調(diào)器下發(fā)指令給監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

5 性能測試

選取三個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)以5s為周期，連續(xù)采集環(huán)境數(shù)據(jù)。并由監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，利用仿真下載器USB Debug Adapter和TI Packet Sniffer捕獲數(shù)據(jù)包，結(jié)果如表1所示。

表1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)功能測試表

節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器距離（m）發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)（個(gè)）接收數(shù)據(jù)包數(shù)（個(gè)）丟包率（%） 溫濕度10100010000 煙霧10100010000 人體紅外1010009990.1 溫濕度20100010000 煙霧2010009980.2 人體紅外2010009980.2

測試結(jié)果顯示各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)正常和丟包率很小，具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。

[1]ZigBee組網(wǎng)學(xué)習(xí)筆記（8）.-煙霧傳感器 - 琴弦上、漫步 - CSDN博客-《網(wǎng)絡(luò)（http://blog.csdn.net）》- 2017.

[2]戴圣賢.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的稀土礦采場邊坡在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[D].江西理工大學(xué)，2018.05.26.