ZigBee技術在建筑物環境網絡化監測系統中的應用

Application of ZigBee Technology

in Networked Buildings Environment Monitoring System

靳衛平1　錢　堃2

(南京師范大學電氣與自動化工程學院1，江蘇 南京　210042;東南大學自動化學院2，江蘇 南京　210096)

ZigBee技術在建筑物環境網絡化監測系統中的應用

Application of ZigBee Technology

in Networked Buildings Environment Monitoring System

靳衛平1錢堃2

(南京師范大學電氣與自動化工程學院1，江蘇 南京210042;東南大學自動化學院2，江蘇 南京210096)

摘要：通過將ZigBee無線傳感器網絡技術與.NET網絡技術相集成，提出了一種大型公共建筑物環境參數監控系統。該方案采用MSP430單片機、CC2530及溫濕度、灰塵傳感器實現分布式環境參量采集。數據采集子系統具有測點-路由節點-協調器分層次結構，在ZigBee協議棧上實現協調器自組建網絡;管理子系統遵循C/S及B/S相結合的開發模式，采用AJAX技術實現前臺瀏覽器客戶端與后臺數據庫的交互。應用試驗驗證了方案的可行性、可靠性，結果表明該系統為支持建筑環境監測提供了豐富的決策功能。

關鍵詞：ZigBee建筑環境微控制器無線傳感器網絡監控系統

Abstract：The monitoring system of environment parameters for large scale public buildings is proposed in which the ZigBee wireless sensor network technology and. NET network technology are integrated. The distributed environment parameter acquisition is implemented by using MSP430, CC2530 and sensors of temperature, humidity and dust, in this scheme. The data acquisition subsystem features the hierarchical structure of measuring points-routing node-coordinator, and the coordinator Ad hoc network is implemented under ZigBee protocol stack. The management subsystem follows C/S and B/S pattern, the interaction between the foreground browser client and background database is achieved by AJAX technology. The applications validate the feasibility and reliability of the scheme, the result indicates that the system provides rich decision-making function for supporting buildings environment monitoring.

Keywords：ZigBeeBuilding environmentMCUWireless senor networkMonitoring system

0引言

隨著我國醫院、辦公大樓、校園建筑等大型公共建筑日益增多,出于節約能耗、確保室內空氣質量的目的，需要對環境溫濕度、灰塵、光照度等環境參數進行監測。由于各種傳感器通常具有不同的數據接口和電氣特性，難以接入一個監測節點[1]。另外,大型建筑內通常測點分布廣、布線復雜、安裝維護困難。

針對低成本、低功耗、高可靠性和高穩定性的大型建筑物環境監測，本文將ZigBee無線傳感器網絡技術[2-5]和Web遠程網絡監控技術相結合，設計了一種具有分布式測點、層次化網絡結構的建筑物環境網絡化監測系統。ZigBee基于IEEE 802.15.4標準，具有自組網、高可靠、擴展性好、功耗低、易安裝和維護簡單等特點[6-7]。通過搭建測點-路由節點-協調器分層次結構的分布式數據采集平臺，將傳感器網絡散布于整個監測區域，并通過ZigBee協議采用自組網和多跳通信方式層層傳輸數據。

與現有大多數基于傳感器網絡的分布式監測系統不同，本系統有效集成了Web遠程網絡監控技術，采用MVC設計模式[8]開發了管理子系統軟件架構;并將C/S與B/S模式相結合，利用B/S實現數據查詢，利用C/S模式實現參數實時監控功能，對多種環境參數進行了全方位可視化監測。

1系統組成與工作原理

根據我國現有的《室內空氣質量標準》并結合一般辦公科研類公共建筑環境監測需求，本文考慮室內環境溫濕度以及可吸入顆粒物PM10作為典型監測參量。系統總體由分布式數據采集子系統、管理子系統(Web服務器)兩大部分組成。系統總體架構如圖1所示。

圖1　系統總體架構

分布式數據采集子系統采用星型拓撲結構，根據文獻[9]中的劃分，系統由測量節點、路由節點和協調器這三種基于ZigBee的節點設備組成。在一般建筑物內ZigBee的可靠傳輸距離為10~75 m，在大型建筑物內不同樓層區域距離較遠時，引入路由器節點實現數據的接力傳送。為降低成本，系統中的測量節點用簡約功能設備(reduced function device，RFD)實現[9]，而路由節點控制子節點通信、匯集數據和發布控制。協調器節點用于匯聚并保持整個無線網絡采集的信息，同時向管理系統服務器上傳數據，故此兩者用全功能設備(full function device，FFD)實現。這也是此類系統通常采用的合理方案。

管理子系統將分布在大型建筑物各樓層各測點的環境測量數據匯集于部署在該建筑物中的服務器中。服務器運行后臺數據庫管理軟件，并通過樓宇局域網絡或Internet網絡組成客戶端/服務器結構，客戶端采用瀏覽器Web頁面形式提供圖形用戶界面(graphical user interface,GUI)。

2分布式數據采集子系統

2.1　ZigBee節點硬件設計

測量節點、路由節點和協調器這三種節點具有類似的基本結構(如圖2所示)，為此采用模塊化設計方法[9]。節點的基本結構包含電源模塊、無線通信模塊、主控制器模塊及其各種外設接口電路。

圖2　節點硬件框圖

主控制器采用TI公司的低功耗MSP430F149單片機芯片。無線通信模塊采用TI公司的CC2530F256射頻芯片[6-11]，該芯片具有低功耗、高靈敏度、速率可調、可從休眠模式快速蘇醒等眾多優點。MSP430與CC2530通過SPI總線連接并查詢CC2530的狀態信息。在測量節點中，采用Sensirion公司的數字溫濕度傳感器SHT11[10-11]。灰塵傳感器采用DSM501，可以靈敏檢測直徑為1 μm 以上的微小粒子，精度為0.5 mg/m3。系統通過單片機A/D接口及放大電路獲取其采集信號。協調器采用PDIUSBD12芯片作為USB主控制器串行接口，實現與服務器主機之間的USB連接。

2.2　節點固件設計

與TI CC2530對應的軟件開發環境為IAR EW8051，協議棧選擇TI公司的ZSTACK 2.4.1。分布式數據采集子系統的工作流程可以分為三個階段。首先，各節點上電后對MSP430和CC2530進行初始化，并初始化協議棧，協調器檢測是否與上位機相連。其次，協調器建立網絡，路由器和終端節點加入網絡，并發送和處理綁定命令，測量節點把傳感器采集到的數據發送給路由節點，路由節點又轉送給網絡協調器。然后協調器把收到的數據進行處理和消息封裝后通過USB接口發送至服務器，將記錄寫入服務器數據庫。

測量節點在初始化MCU、射頻芯片后還要初始化SPI 接口。同時，在其主循環程序中判斷各種內外部中斷源的中斷類型，并分別跳轉至定時器中斷、傳感器數據采集中斷、數據發送中斷等三個子程序。另外，本文參照文獻[6]設計了協調器固件的處理流程，它負責啟動網絡、配置網絡成員地址、維護網絡、接收及發送數據等。

協調器軟件流程如圖3所示。

圖3　協調器軟件流程

3管理子系統應用軟件設計

管理子系統總體架構采用MVC設計模式，即包含模型、視圖和控制器分離的軟件架構。該技術在組織代碼方面將業務邏輯和數據顯示分離，強制性地將程序的輸入、輸出和處理分開。

用戶通過瀏覽器發送HTTP請求到控制器，控制器根據請求的內容從模型中獲取合適的數據，然后選擇合適的視圖呈現給用戶。本管理軟件通過LINQ to SQL接口查詢數據庫中的數據。客戶端與后臺服務器

使用異步的JavaScript與XML技術(asynchronous JavaScript and XML，AJAX)進行數據交互，頁面加載時使用AJAX從后臺獲取查詢數據。這樣可以減少瀏覽器和服務器之間交換的數據，并減少Web服務器的負荷。數據格式采用JSON格式，是一種輕量級的數據交換語言。管理子系統應用軟件框圖如圖4所示。

圖4　應用軟件總體框圖

Web頁面內容使用HTML語言編寫，而頁面樣式在CSS文件中編寫。頁面的交互行為使用jQuery庫進行編寫，并嵌入到HTML中或在獨立JS文件中。

4系統驗證及測試

系統部署在某校園科研大樓，平面布局如圖5所示，實際應用軟件開發環境為.NET Framework 4.5，VS2012 .NET集成開發環境，數據庫軟件為SQL Server 2008 R2。基于上述平臺，分別對數據采集子系統和管理子系統的可行性、可靠性進行了測試試驗。

圖5　應用場景分布

4.1　數據可靠性分析

隨機選取不同樓層多個測點，通過測量測點附件實際溫度和本系統實際采集并記錄的測點數據進行比較，如表1所示。由表1可見在四季常見室溫10~40 ℃范圍內，系統測量誤差不超過2.5%，能夠滿足一般公共建筑環境監測的需求。

表1　溫度測量精度

ZigBee協議的網絡通信質量是衡量系統可靠性的另一個重要指標，為此針對無線數據傳輸的誤碼率進行了測試。在試驗中發現點對點ZigBee通信存在三種傳輸錯誤情況，均認作誤碼：①測量節點重復發送，即多次發送相同時間戳和數據的消息包；②協調器漏收；③收發數據不一致。實際部署節點的數據傳輸質量與節點間距離和障礙物阻擋情況有關。無墻壁阻擋時，節點距離小于20 m時的誤碼率≤0.5%，距離小于55 m時的誤碼率≤1%；有30 cm厚水泥墻壁阻擋時，節點距離=25 m時的誤碼率達到10%。為此本系統針對大型建筑物引入路由節點接力數據傳輸，保證了數據采集的可靠性。圖6為30 s采樣周期下測量數據包在24 h內的收發量的情況。由圖6可見系統總體誤碼率低于6%。

圖6　數據包收發統計

4.2　應用可行性分析

管理子系統應用軟件在樓宇分層地圖的基礎上，提供了室內溫濕度、PM10等關鍵參數監控，還支持擴展光照、CO2、風速等輔助環境參數。系統能實時顯示采集數據及其空間分布，具有歷史數據時間空間查詢、數據統計分析、報表打印等功能，并具有友好實用的Web操作界面。

圖7是本軟件繪制所得的第四層各測點溫度場分布。

圖7　溫度場分布

5結束語

針對大型公共建筑物節能與空氣質量監測需求，提出了一種基于ZigBee技術的網絡化遠程監測系統。該方案的層次化拓撲結構按分區組建ZigBee網絡，擴展了節點間數據傳輸距離，使分布于各樓層和區域內的測點數據分級匯聚并最終傳輸到管理服務器中。應用軟件以瀏覽器頁面形式提供豐富的監測與分析功能，系統擴展性強，為建筑溫濕度及空氣質量監測提供了豐富的決策支持功能。

參考文獻

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中圖分類號：TP368

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502016

國家自然科學基金資助項目(編號：61105094)。

修改稿收到日期：2014-05-23。

第一作者靳衛平(1959-)，男，1990年畢業于東南大學工業電氣自動化專業，獲學士學位，高級工程師；主要從事電氣自動化與測控方面的研究。