傳感網(wǎng)通用數(shù)據(jù)感知獲取系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

任麗晴，張 遠，尹小燕，黃駿杰，邢天璋，房鼎益

(西北大學信息科學與技術學院，陜西西安 710127)

無線傳感器網(wǎng)絡WSN(wireless sensor network)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，節(jié)點以無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，并發(fā)送到遠程用戶端。無線傳感器網(wǎng)絡技術具有廣闊的應用前景，廣泛應用于軍事、遠程農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測與預報、智能家居、建筑物結構健康監(jiān)測、復雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領域［1－5］。針對以上應用場景，需要感知的數(shù)據(jù)種類繁多，采集這些數(shù)據(jù)需要在傳感器通信節(jié)點上擴展多種多樣的感知元件，而這些元件的信號與數(shù)據(jù)模式、數(shù)據(jù)采集速率、接口形態(tài)、激勵方式等都各不相同。當擴展新的感知元件時，如果每次都重新設計數(shù)據(jù)采集調(diào)理電路，會耗費設計者較多的時間精力，而且同時擴展多個感知元件時，連接與轉(zhuǎn)換會異常復雜，不便于靈活使用和擴展，也不符合可重復利用和綠色環(huán)保的原則。

因此，針對基于Zigbee協(xié)議的低功耗傳感網(wǎng)基本通信節(jié)點(以下簡稱通信節(jié)點)，設計傳感網(wǎng)通用數(shù)據(jù)感知獲取系統(tǒng)(以下簡稱感知系統(tǒng))，方便和優(yōu)化傳感網(wǎng)技術在實際中的應用，是一件非常有意義的事情［6－8］。為了保證感知系統(tǒng)的通用性，很好橋接感知元件和通信節(jié)點，其設計必須滿足以下兩個原則［9］:1)感知系統(tǒng)預留的接口形式、通信模式、提供的激勵方式等必須與常用的感知元件相互兼容，滿足其正常的工作需求;2)感知系統(tǒng)使用的通信協(xié)議也必須與通信節(jié)點匹配。在實際應用場景中，利用感知系統(tǒng)獲得環(huán)境信息之后，需要進一步對數(shù)據(jù)進行分析處理并建立實時報警系統(tǒng)，若保護對象處在不利環(huán)境下要能及時提醒監(jiān)測人員采取相應措施［5，10］，本文借鑒文獻［11］中的事件檢測算法實現(xiàn)危險報警。

1 感知系統(tǒng)設計

感知平臺建立在基本傳感器通信節(jié)點的基礎上，需與其配套使用。感知系統(tǒng)在通信節(jié)點的控制下通過外部感知設備采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將不同類型的感知數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)包，通過無線模塊發(fā)送出去。通信節(jié)點之間相互通信，最終將采集的數(shù)據(jù)上傳到服務器端進行解碼和存儲，并對不同類型的數(shù)據(jù)分類顯示和分析處理。

1.1 平臺的硬件設計

感知平臺主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲模塊、I/O擴展模塊和電壓轉(zhuǎn)換模塊組成。

1.1．1 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設計 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的基本功能是將多種傳感器同時感知的多路模擬信號量(不論是單端輸入還是差分輸入)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號量。此外，模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊還需要與傳感器節(jié)點通信，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號量正確傳遞給通信節(jié)點進行后期處理。本模塊的設計框圖如圖1所示。

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用 TI公司的 ADS8344［12］，該芯片功耗低，轉(zhuǎn)換效率高，精度滿足通常的應用需求，可輸入通道數(shù)較多，且信噪比較高。芯片需要接入外部時鐘和外部參考電壓:外部時鐘DCLK由通信節(jié)點的ALE端口提供;外部參考電壓Vref由外部穩(wěn)壓芯片提供。穩(wěn)壓芯片選用Semiconductor公司的 2.5V三端穩(wěn)壓芯片MMBZ5222［13］，該芯片成本較低且穩(wěn)定性好。穩(wěn)壓芯片的輸出電平值決定了可輸入模擬信號量的最大值為2.5V，能夠滿足通常的應用需求。通信節(jié)點通過PWM0端口將控制字輸入ADS8344的Din管腳，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的開始時刻，實現(xiàn)通道選擇、輸入方式選擇等功能。

1.1.2 I/O擴展模塊設計 本模塊的基本功能是將I2C總線擴展為并行輸入輸出端口，從而可以直接以外部中斷方式將數(shù)據(jù)從外部I/O寫入通信節(jié)點，也可以將通信節(jié)點的數(shù)據(jù)通過遠程I/O直接并行輸出。本模塊實現(xiàn)了遠程I/O與通信節(jié)點的直接交互，不需要占用CPU資源，其設計框圖如圖2所示。

圖1 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的設計框圖Fig．1 Diagram of the analog to digital conversion module

圖2 I/O擴展模塊的設計框圖Fig．2 Diagram of the I/O expansion module

I/O擴展模塊選用TI公司的PCF8574A芯片，它可以實現(xiàn)I2C總線到8位遠程并行I/O端口的擴展功能［12］，該芯片與大多數(shù)微控制器兼容，且功耗較低。該芯片的管腳接通信節(jié)點的INT0管腳，通過在端發(fā)送中斷信號，遠程I/O可以直接通知微控制器I/O端口是否有數(shù)據(jù)到來。在時鐘信號SCL的控制下，控制器在數(shù)據(jù)端口 SDA依次發(fā)送開始信號、I/O芯片(PCF8574A)地址、讀/寫控制信號，而I/O芯片進行ACK應答之后，開始從遠程并行端口進行數(shù)據(jù)輸入或輸出。

1.1.3 存儲模塊設計 通信節(jié)點不僅需要保存感知元件采集的數(shù)據(jù)，同時還需要轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)包，在某一時刻到達通信節(jié)點的數(shù)據(jù)量可能非常大，發(fā)生通信節(jié)點無法及時響應多數(shù)據(jù)處理的情況。這時節(jié)點就不能及時處理感知平臺采集的數(shù)據(jù)，可能造成部分數(shù)據(jù)丟失，這在一些重點監(jiān)測場景中是不允許的。因此感知平臺在設計時，需要外擴一個可管理的存儲器來緩存這些數(shù)據(jù)，即存儲模塊，本模塊的設計框圖如圖3所示。

本模塊的設計選用Microchip公司的I2C串行電子可擦可編程只讀存儲器24LC64作為外擴緩存［14］。該芯片是雙總線接口，與 I2C總線兼容，且外部電路簡單，體積較小，同時其功耗較低，適用于感知平臺的設計。通信節(jié)點的CLK管腳為24LC64芯片提供時序信號SCL;通信節(jié)點的DATA管腳發(fā)出控制字，控制24LC64芯片完成相應的讀寫操作。

1.1.4 電壓轉(zhuǎn)換模塊設計 通信節(jié)點由3節(jié)5號電池供電，其電壓值會隨著節(jié)點工作時間的延長而降低，并不能作為穩(wěn)定的激勵源向外部傳感器輸出。而感知平臺需要外接多種傳感器，不同傳感器的供電電壓往往是不同的，常用的為2.5V，3.3V和5V。因此，感知平臺在設計時，要能夠為外部感知電路提供這3種參考電平。圖4為2.5V參考電平的產(chǎn)生原理框圖，圖5為3.3V和5V參考電平的產(chǎn)生原理框圖。

電壓轉(zhuǎn)換模塊的設計主要選用2.5V三端穩(wěn)壓芯片 MMBZ5222，TI公司的運算放大器TLV2473［12］和 MAXIM 公司的 MAX1795 升壓芯片［15］。運算放大器是CMOS軌到軌輸入輸出芯片，功耗較低。MAX1795芯片只需要低電源電流，是升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，具有真關斷功能，該芯片可以為運放提供較大的供電電壓Vdd。運放對MMBZ5222芯片輸入的2.5V參考電壓分壓產(chǎn)生3.3V和5V的參考電平。將通信節(jié)點與運放的控制端口和相連，可以控制電壓轉(zhuǎn)換模塊僅在需要采集外部環(huán)境數(shù)據(jù)時為感知設備提供激勵源，否則處于關斷狀態(tài)，從而可以大大降低感知系統(tǒng)能耗。

圖3 存儲模塊的設計框圖Fig．3 Diagram of the storagemodule

圖4 2.5V參考電平的產(chǎn)生原理框圖Fig．4 Generation of 2.5V reference

圖5 3.3V和5V參考電平的產(chǎn)生原理框圖Fig．5 Generation of3.3V and 5V reference

1.2 感知系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)的工作過程主要分以下幾個階段:

1)發(fā)送節(jié)點的正確配置，主要包括控制模塊和通信模塊工作模式的設置，保證發(fā)送節(jié)點能夠控制感知平臺完成多種信息的采集，使感知平臺輪流采入各路傳感器的模擬信號并完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，采入數(shù)字信號并完成相應轉(zhuǎn)換，形成原始數(shù)據(jù)。通信模塊將獲得的數(shù)據(jù)組成固定的數(shù)據(jù)格式，形成數(shù)據(jù)包，并經(jīng)無線模塊發(fā)送出去。

2)接收節(jié)點的正確配置，主要包括控制模塊和通信模塊工作模式的設置，保證接收節(jié)點與發(fā)送節(jié)點工作在同一通道，能夠檢測、識別和接收發(fā)送節(jié)點的信息，并將接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳遞到服務器端。

3)服務器端的正確配置，主要包括設置串口的數(shù)據(jù)接收速率、端口號、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換模式等，完成接收信息的正確解碼任務，并實現(xiàn)與套接字的綁定功能，將數(shù)據(jù)以用戶規(guī)定的形式插入數(shù)據(jù)庫保存，方便后期的數(shù)據(jù)顯示以及分析處理工作。

2 感知系統(tǒng)的應用測試

2.1 感知系統(tǒng)的實際應用情況

2.1.1 傳感器節(jié)點部署情況 從2009年至今，利用感知獲取系統(tǒng)對唐皇城墻含光門過水涵洞遺址進行監(jiān)測，在監(jiān)測區(qū)域部署有溫濕度傳感器、震動傳感器和氣體傳感器(CO2，SO2和H2S)。

2.1.2 自適應事件檢測算法 根據(jù)文物保護專家的需求和建議，將感知節(jié)點部署在遺址的重要監(jiān)測部位，采集可能影響遺址健康狀態(tài)的環(huán)境因子，并將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)與遺址的生存狀態(tài)關聯(lián)，建立遺址生存環(huán)境與生存狀態(tài)關系數(shù)據(jù)庫。在此數(shù)據(jù)庫的基礎上研究遺址處于危險環(huán)境的檢測預警算法，形成報警系統(tǒng)，當檢測到不利情況時，及時提醒文物保護人員采取相應措施。由于遺址與博物館內(nèi)空氣直接接觸，其生存環(huán)境本身會隨外界因子動態(tài)變化，因此檢測算法需自適應地調(diào)整，減弱這種動態(tài)性導致的錯誤檢測。本文給出兩種自適應事件檢測算法:基于移動均值的檢測算法(Moving Average)和基于移動方差的檢測算法(Moving Variance)。

1)基于移動均值的檢測算法:通過比較兩個不同窗口內(nèi)同一節(jié)點感知數(shù)據(jù)的變化，當其變化超過預先設定的安全閾值時，則認為危險情況發(fā)生，產(chǎn)生報警信號。相應數(shù)學描述如下

wl對應長窗口，ws對應短窗口，qi對應采集到的感知數(shù)據(jù)序列，αl，k是長窗口內(nèi)的感知數(shù)據(jù)均值，即靜態(tài)環(huán)境下的感知數(shù)據(jù)，αs，k是短窗口內(nèi)的感知數(shù)據(jù)均值，即當前狀態(tài)下的感知數(shù)據(jù)。當＞τ時，則認為窗口長為ws的時間段內(nèi)檢測到不利情況，需產(chǎn)生報警信號，否則認為無危險情況發(fā)生，τ為設定的閾值。

2)基于移動方差的檢測算法:其核心思想與基于移動均值的檢測算法類似，唯一區(qū)別是該方法通過求取方差的方式完成報警，相應的數(shù)學表達式為

其中:w為窗口大小;qt為該窗口內(nèi)感知數(shù)據(jù)的均值;vt為該窗口內(nèi)感知數(shù)據(jù)的方差;vt和σv分別對應訓練時段［tstart，tend］內(nèi)vt的均值和標準差。當vt＞+r·σv時，則認為t+w時間段內(nèi)發(fā)生危險情況，r為修正參數(shù)。

2.2 感知系統(tǒng)的測試結果

2.2．1 數(shù)據(jù)分析結果 圖6是一天中監(jiān)測到的CO2濃度和溫度數(shù)據(jù)。由于含光門遺址博物館的開放時間為早上9點到下午5點，隨著參觀游客數(shù)目的增加，遺址周圍的CO2濃度上升，而當閉館之后CO2濃度會逐漸下降。圖7是同一天中監(jiān)測到與地面垂直方向的震動數(shù)據(jù)。遺址低于周圍地面水平線且臨近馬路，過往車輛引起的震動很可能損害遺址健康。在上下班高峰期，經(jīng)過車輛較多，因此震動數(shù)據(jù)的峰值也出現(xiàn)在這2個時間段。

2.2.2 報警功能測試結果 分別調(diào)節(jié)模擬遺址生存環(huán)境的溫度、濕度和震動因子，測試每種因子單獨作為報警信號的性能，主要衡量指標有虛警次數(shù)、漏警次數(shù)和報警延遲時間。每種因子測試20次，每次測試時間為15 min，其中10次為安全狀態(tài)，10次為危險狀態(tài)。報警延遲與每種環(huán)境因子的采樣頻率和窗口大小有關，在測試時溫濕度的采樣頻率為每秒5次，震動的采樣頻率為每秒20次。在兩種自適應事件檢測算法中，長窗口都設為10 min，短窗口都設為5 s。表1給出了報警系統(tǒng)的測試結果，表明移動方差檢測算法優(yōu)于移動均值檢測算法。

圖6 一天中CO2濃度和溫度的監(jiān)測數(shù)據(jù)圖Fig．6 Monitoring data of CO2 concentration and temperature in a day

圖7 一天中監(jiān)測到的震動數(shù)據(jù)Fig．7 Monitoring data of vibration in a day

表1 報警系統(tǒng)測試結果Tab．1 Test result of the alarm system

3 結語

經(jīng)過實際測試，感知系統(tǒng)應用效果良好，可以有效地采集和調(diào)理多種傳感器感知的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度和系統(tǒng)功耗、響應時間、穩(wěn)定性也能滿足實際的應用需求。下一步將探索感知系統(tǒng)在其他背景下的大規(guī)模應用，并根據(jù)系統(tǒng)在大規(guī)模應用中的新問題進一步完善系統(tǒng)功能。

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