基于WSN技術的數據采集系統的設計

張大為，皮之軍，劉 迪

（1.海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學院 訓練部，山東 煙臺 264001）

隨著通信技術、嵌入式計算技術和傳感器技術的迅猛發展，具有感知能力、計算能力和通信能力的無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）的應用領域也日益廣泛[1-2]。本文以FS2410DEV V6.0為硬件平臺，以智能交通管理系統為應用實例，基于WSN和ZigBee技術設計了一種現場數據采集系統。它能實現數據采集、存儲，無線數據傳輸，數據分析、處理以及WEB瀏覽等功能。具有功耗低、組網能力強、傳輸距離遠、可靠性高、拓展能力強等優點[3]。

1 系統組成

本文采用的WSN是由一組傳感器節點以自組織的方式構成無線網絡，采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息，發布給集中控制中心。數據采集系統組成框圖如圖1所示。WSN節點主要由數據采集單元、數據處理單元、無線數據收發單元以及小型電池單元組成。數據采集系統利用各節點的加速傳感器實現對應節點的數據采集，數據經調理后通過節點微處理器的AD轉換單元，節點微處理器將數據從從XBEE-PRO芯片無線傳輸到主XBEE-PRO芯片，主XBEEPRO芯片通過串口進入S3C2410處理器，S3C2410處理器作為網關進行數據處理以后，通過以太網口接入PC機服務器，PC機服務器采用MFC搭建人機交互界面，實現各參數的分析、處理，并通過因特網實時公布交通情況。

圖1 數據采集系統組成框圖Fig.1 Diagram of data acquisition system composition

1.1 加速傳感器

利用加速傳感器檢測車輛和路況。傳感器模塊通過檢測過往車輛加速度的變化來檢測車輛，本文加速傳感器選用ADXL202兩軸向傳感器。首先對節點編寫程序以得到檢測區域的加速度采樣，繼而使用上位機軟件對樣本數據進行處理。當觀測車輛經過時，可在短時間內形成算法的原型，計數算法使用偏離基線的加速度值來操縱狀態機，由狀態機做出計數操作。驅動狀態機從半激活狀態到計數狀態，信號必須偏離負相基線的臨界值。如果狀態機在半激活狀態且小于臨界值超過500 μs時，狀態機重置到未激活狀態。檢測算法中的磁滯可用于檢測一輛接一輛快速流動的交通情況，能夠降低基線的漂移和噪聲對臨界值的影響。由于鄰近車道上的大型車輛不能引起在兩個方向上的離散的加速度偏離，所以也能排除鄰近車道上的車輛干擾。

由于傳感器直接安裝到路面上，它還能檢測路況信息，比如檢測路面是否有冰雪、積水等覆蓋。具體實現上，是通過使用電容性傳感器來感應傳感器表面材料的絕緣性或導電性。此方法主要用于流體的檢測，能夠以低成本低能量得到冰雪、積水等信息的穩定監測。基于微控制器系統以10位A/D轉換器進行同步采樣就能實現低成本的電容性感應。其中一端附于微控制器的輸出針腳，連接到傳感器節點表面的電極上；另一端附于鄰近的電極，通過一個簡單的FET放大器連接到A/D轉換器輸入針腳上。微控制器不斷地以1 V步長通過電極，等待幾微秒，采樣輸入A/D。微控制器使用同步解調來檢測電容變化。另一種方法是測量溫度變化來檢測路況，如溫度大于冰點，路面就不可能有冰；同樣，如果溫度小于等于冰點，則路面有可能結冰，此外，路面上的溫度與空氣溫度的變化比率是由節點表面材料的熱容決定的。

1.2 信號調理電路

利用信號調理電路對傳感器信號進行處理。信號調理電路對ADXL202兩軸向傳感器的電壓信號進行濾波、限幅，實現傳感器信號的預處理。

1.3 微處理器

經過預處理后的傳感器信號進入微處理器的A/D轉換單元，本文采用的微處理器為C8051F018單片機，其內部集成10位A/D轉換器，外部時鐘為24 MHz，其執行速度足以滿足系統要求。C8051F018單片機結構如圖2所示。

圖2 C8051F018單片機結構Fig.2 C8051F018 single chip microcomputer structure

1.4 XBEE-PRO芯片

微處理器通過XBEE-PRO芯片進行無線數據傳輸。數據采集系統的網絡協調器由網關節點上的XBEE-PRO充當，網絡協調器負責收集數據，然后經其串口傳送給FS2410DEV V6.0的S3C2410，S3C2410將數據分析、處理后通過TCP/IP協議傳送給PC機服務器，從而實現ZigBee協議與TCP/IP協議之間的數據互傳。

2 系統軟件設計

2.1 系統軟件設計流程

系統軟件設計主要包括單片機底層軟件、MFC上位機軟件和監控中心平臺程序的設計。設計內容涉及無線通信、ZigBee協議實現、TCP/IP以太網通信、單片機底層軟件等方面[4]，系統軟件設計流程圖如圖2所示。初始化系統主要包括初始化WPAN信息數據庫，建立ZigBee網絡，分配網絡ID號和16位網絡地址，初始化鄰居設備表，等待車載ZigBee無線節點連接。當車輛進入主節點網絡覆蓋區時，接收主節點的網絡信號，發送掃描信號請求連接，連接成功后，記錄網絡ID號和分配的16位網絡地址，向主節點發送車輛信息，完成車輛登記。監控中心平臺為本系統的集中管理平臺，負責系統中所有數據的處理、記錄、調度，通過以太網與各出入口主節點進行數據交互，通過通用組件自動生成記錄表單以供查閱及打印，同時查詢數據庫車輛狀態。若一切正常，則回復確認信息給主節點；若出現異常狀態則回復控制命令給主節點，主節點收到命令后執行相應操作，同時在用戶界面上顯示異常狀態以通知監控中心工作人員。

2.2 基于以太網進行數據傳輸

以太網采用TCP協議傳輸數據，實現了無差錯無重復的順序數據傳輸。在應用程序利用TCP進行通信時，源和目標之間會建立一個虛擬連接。這個連接一旦建立，兩通信設備之間就可把數據當作一個雙向字節流進行交換。本文設計的數據采集系統的網關是TCP客戶端，具體實現上，首先調用socket函數建立流式套接字，然后調用connect函數，請求與服務器端建立TCP連接，成功建立連接后，就可同服務器端進行通訊。基于以太網的數據傳輸應用程序采用多線程方式編寫實現，其數據傳輸應用程序流程圖如圖3所示。一個線程用于接收ZigBee網絡協調器CC2430從串口發來的數據，另一個線程用于編寫基于TCP/IP協議的網絡套接字程序與服務器進行通信。

圖3 系統軟件設計流程圖Fig.3 Flow chart of system software design

設計中還需考慮降低成本和每個WSN節點的復雜性。由于節點沒有接收指令的內在需求，所以每個節點都有發送器，沒有接收器。然而，由于標準無線信道技術需要發送和接收的參與，缺少接收器將使無線協議復雜化。WSN的傳輸協議非常簡單:每個節點在60 s內隨機選擇時隙來發送。如果在隨機選擇的時間上檢測到車輛，它將等待車輛通過后再發送數據。

3 系統測試

ZigBee網絡的2個小節點采用電池供電，基于測試方便的考慮將節點設置成全功能的路由器節點，每節點只接一個加速度傳感器。設計的網關節點安放在待測試區域，網關節點上的CC2430設置成協調器，并采用12 V、2 A的電源適配器供電。網關節點和2個小節點就構成一個樹型無線傳感器網絡。將1臺具有靜態IP地址的PC機用作遠程服務器進行測試。測試內容包括測試網關節點動態配置ZigBee網絡；基于以太網通信的數據實時轉發；基于SMS方式數據傳輸及系統運行的穩定性。首先在網關節點運行網絡配置應用程序，而后啟動ZigBee網絡。具體操作上，輸入配置命令SP（發送周期）、節點ID號1、節點發送周期參數值為3 min，然后點配置按鈕，若配置成功彈出“ZigBee Config Success！”對話框，否則，彈出“fails”對話框。在服務器上運行TCP/UDP測試工具，然后運行網關節點上的數據傳輸應用程序，在操作界面輸入PC機服務器的IP地址、端口號，再啟動ZigBee網絡，在設定的采集周期內網關節點串口1將收到各節點采集到的數據，經過分析處理后在網關節點上顯示并以以太網方式傳送給PC機服務器[5]。

測試結果表明：網關節點能夠成功配置ZigBee網絡，設計的基于ZigBee技術的射頻單元電路正確、可靠，網關節點上的CC2430能夠成功擔當ZigBee網絡的協調器，并能成功修改ZigBee網絡參數；網關節點能夠成功地將協調器收集到的數據以以太網的方式轉發給PC服務器，以太網通信接口設計正確，采用線程編程、基于網絡套接字的編程策略合理、正確；通過測試表明本文設計的網關節點功能符合設計要求，系統運行穩定。

圖4 數據傳輸應用程序流程圖Fig.4 Flow chart of data transmission application program

4 結 論

文中以WSN為技術支撐，以智能交通管理系統為應用實例，基于ZigBee協議設計了一種智能數據采集系統。測試表明該數據采集系統在數據傳輸方面具有以下優越性：功耗低，2節普通5號電池可支持一個節點工作6～24個月；組網能力強，網絡最多可達多個節點，并支持樹狀、星狀、網狀等多種組網方式；傳輸距離遠，兩節點室外傳輸距離可達幾百米，在增加發射功率后可達幾千米；可靠性高，具備多級安全模式；成本低，開放的簡化ZigBee協議棧工作在2.4 GHz免費的ISM頻段。另外，該數據采集系統通用性和可移植性較好，只要稍加改造就能應用于無人值守、遙控遙測、車輛安全等遠程控制系統中[6]，拓展能力強，應用前景十分廣闊。

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