基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

郭 迎, 陳 艷， 惠 飛

(長安大學(xué), 陜西 西安 710064)

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基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)

郭 迎, 陳 艷， 惠 飛

(長安大學(xué), 陜西 西安 710064)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控預(yù)警方案大多依賴于有線網(wǎng)絡(luò)，其接入過程繁瑣、造價高且可擴(kuò)展性和移動性能差。為了克服諸多問題，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一套用于實(shí)驗(yàn)室的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。通過傳感器采集到實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)，運(yùn)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將數(shù)據(jù)匯聚到Android數(shù)據(jù)采集終端，經(jīng)過解析、壓縮后發(fā)送至遠(yuǎn)程Web服務(wù)器，供管理員使用PDA設(shè)備查看。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)時性優(yōu)良，造價低廉，適用于多種實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程監(jiān)控； 無線傳感網(wǎng)絡(luò)； Android

0 引 言

實(shí)驗(yàn)室的潛在的不安全因素變異性大，危害種類繁多，因設(shè)備老化、消防不到位等因素引起的爆炸、火災(zāi)等事故頻頻發(fā)生，造成的損失無法估量[1-2]。如何以較低的成本投入，在不影響實(shí)驗(yàn)室正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，有效監(jiān)測、防范實(shí)驗(yàn)室可能發(fā)生的安全事故，是目前高校實(shí)驗(yàn)室亟待解決的問題。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室傳感器簡便部署提供了有效的解決方案[3-4]，無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過傳感器完成對外界環(huán)境的感知、信息的采集、數(shù)據(jù)的處理和交換，并將這些信息發(fā)送到根節(jié)點(diǎn)(ROOT)，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜范圍內(nèi)的目標(biāo)檢測，具有快速展開、簡單方便的特點(diǎn)[5]。

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控方案大多依賴于有線網(wǎng)絡(luò)，而對于工業(yè)現(xiàn)場、室外環(huán)境復(fù)雜、或室內(nèi)已裝修好的實(shí)驗(yàn)室來說，其缺點(diǎn)是：造價過高、有線接入過程繁瑣、系統(tǒng)可擴(kuò)展及移動性能差[6-7]。本文設(shè)計(jì)并開發(fā)的用于實(shí)驗(yàn)室的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系集成了多種傳感器，其中，無線傳感模塊實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時采集和傳輸；智能采集終端借助Android嵌入式系統(tǒng)平臺實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實(shí)時顯示、存儲、預(yù)警和傳輸。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，本文提出的監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)由2個模塊構(gòu)成，分別為無線傳感網(wǎng)絡(luò)、Android智能采集終端。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

在無線傳感模塊中，多個傳感器子節(jié)點(diǎn)被安裝在實(shí)驗(yàn)室的特定位置，節(jié)點(diǎn)之間按照指定的路由方式組成網(wǎng)絡(luò)。在數(shù)據(jù)采集過程中，子節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給Root節(jié)點(diǎn)，Root節(jié)點(diǎn)與Android采集終端通過串口相連，Android采集終端將采集到的數(shù)據(jù)處理、存儲并發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器，管理人員即可由個人數(shù)字助理(Personal Digital Assistant，PDA)查看實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前安防情況。一旦出現(xiàn)異常，Android智能終端發(fā)出異常警報，并以自動撥號形式提醒實(shí)驗(yàn)室管理人員，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)測和預(yù)警。

2 無線傳感節(jié)網(wǎng)絡(luò)

2.1 無線傳感節(jié)點(diǎn)

2.1.1 無線傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

無線傳感節(jié)點(diǎn)包括ATMega1281處理器(內(nèi)含A/D模塊)、AT86RF230無線收發(fā)器、外設(shè)接口(串行)以及JTAG下載調(diào)試模塊。無線傳感節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 無線傳感節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

無線傳感節(jié)點(diǎn)與傳感器相連，放置在教室內(nèi)的特定位置。傳感器將采集到的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號發(fā)送給ATMega1281微處理器；微處理負(fù)責(zé)存儲和處理自身采集到的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全可靠的通訊協(xié)議；無線射頻芯片用于與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源模塊采用AA電池以減小體積，為節(jié)點(diǎn)提供電源[8]。傳感器的安置及其屬性見表1。

表1 傳感器及其屬性

2.1.2 無線傳感節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)軟件平臺采用基于加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)開發(fā)的TinyOS系統(tǒng)[9]。主要實(shí)現(xiàn)的功能包括：硬件驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)組建、無線傳輸、向串口發(fā)送數(shù)據(jù)。

在TinyOS中驅(qū)動的程序，通常按照一定的消息格式，進(jìn)行無線傳輸和串口通信。無線傳感子系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)最后要通過串口傳到Android數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行處理。TinyOS 2.x的串口協(xié)議棧可劃分為4個功能組件，自底向下分別是原始串口(raw UART)組件、編碼/裝幀(encoder/framer)組件、協(xié)議(protocol)組件以及分派(dispatcher)組件[10]。

一般認(rèn)為串口協(xié)議棧中的循環(huán)冗余校驗(yàn)已經(jīng)能滿足要求，所以平臺無關(guān)的主動消息層就不再負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)校驗(yàn)。串口主動消息的頭部格式代碼如下：

typedefnx_structSerialAMHeader{

nx_am_addr_taddr; //地址

nx_uint8_t length; //長度

nx_am_group_t group; //組號

nx_am_id_t type; //類型

}SerialAMHeader;

在TinyOS 2.x的串口協(xié)議里，各協(xié)議字段分別和特定的組件有關(guān)，其具體格式為：

FPSDPlayLoadCRF

F：幀字節(jié)，表示數(shù)據(jù)包開始，與HdlcTranslateC組件有關(guān)；

P：協(xié)議字節(jié)，與SerialP組件有關(guān)；

S：序號字節(jié)，與SerialP組件有關(guān)；

D：包格式的分派字節(jié)，與SerialDispatcherC組件有關(guān)；

Payload：數(shù)據(jù)包的有效載荷區(qū)，與Serial DispatcherC組件有關(guān)，它是Serial DispatcherC組件讀入的連續(xù)數(shù)據(jù)包，包含串口主動消息的包頭。從P到CR的任何字節(jié)如果等于0x7e或0x7d，將會相應(yīng)的被轉(zhuǎn)換為0x7d 0x5e與0x7d 0x5d。

2.2 無線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收

為了便于敘述，本文將1個實(shí)驗(yàn)室作為研究對象，每個實(shí)驗(yàn)室中的Android數(shù)據(jù)采集終端、攝像頭和多個傳感器構(gòu)成了一個無線傳感子系統(tǒng)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室樓層和房間較多時，節(jié)點(diǎn)個數(shù)相應(yīng)增加。

無線傳感節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)采用TinyOS。本系統(tǒng)在TinyOS2.0中定義了1個消息緩存抽象，稱為message_t。數(shù)據(jù)在無線傳送前將以message_t的形式進(jìn)行封裝。無線傳感子系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)最后要通過串口傳到Android數(shù)據(jù)采集終端。

整個實(shí)驗(yàn)室為1個傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇，這個簇的簇頭稱為根節(jié)點(diǎn)(ROOT)，它管理簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)和簇內(nèi)的通信路由[11-12]。各感知節(jié)點(diǎn)開啟低功耗，并周期性的讀取傳感器數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給根節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行匯總?cè)诤喜㈩A(yù)判，然后通過串口向Android數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)。無線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程如圖3所示。

圖3 無線數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程圖

3 Android數(shù)據(jù)采集終端

Android數(shù)據(jù)采集終端是在Tiny210開發(fā)板的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，它的硬件主要由3部分組成：核心模塊、控制插件和外圍部件。本系統(tǒng)選用Android平臺，其可移植性、可定制能力、成本方面都極其符合本系統(tǒng)的要求[13]，最重要的是，Android移動終端普遍帶有WiFi模塊，3G數(shù)據(jù)傳輸模塊，能夠輕松接入互聯(lián)網(wǎng)。

為了保證系統(tǒng)高實(shí)時性與良好的外設(shè)兼容性，同時具有友好的人機(jī)交互界面，數(shù)據(jù)采集終端采用基于Linux內(nèi)核的開放式Android平臺，通過其公開的Software DeveloperKit(SDK)為采集終端的相關(guān)應(yīng)用提供開發(fā)接口(API)[14-15]。

3.1 Android終端功能結(jié)構(gòu)

圖4描述了Android數(shù)據(jù)采集終端功能結(jié)構(gòu)，其主要功能是：

圖4 Android數(shù)據(jù)采集終端功能結(jié)構(gòu)圖

(1) 信息采集。信息采集模塊能夠獲取實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時狀態(tài)信息，其信息來源于布置在實(shí)驗(yàn)室的多個傳感器節(jié)點(diǎn)，包括教室的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、是否存在火焰等；

(2) 數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理是將由信息采集模塊獲取的傳感器、攝像頭原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將采集到的圖像數(shù)據(jù)壓縮處理；

(3) 遠(yuǎn)程通信。該模塊包含信息獲取和信息上傳兩部分功能，信息獲取用于從系統(tǒng)服務(wù)器得到當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室的基本信息和當(dāng)前天氣信息，信息上傳是將采集到的實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)信息發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器；

(4) 安全預(yù)警。該模塊首先對數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊得到的數(shù)據(jù)進(jìn)分析，判斷其是否處于危險狀態(tài)，如果處于危險狀態(tài)，則進(jìn)一步發(fā)出聲光報警，并將危險狀態(tài)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，服務(wù)器會通過自動撥號的方式通知管理員，預(yù)防安全事故的發(fā)生。

3.2 串口連接

Tiny210開發(fā)板內(nèi)置了libfriendlyarm-hardware.so函數(shù)庫，支持的硬件有：串口設(shè)備、蜂鳴器設(shè)備、EEPROM、ADC設(shè)備等。該庫文件位于Android源代碼目錄的以下路徑:

device/Samsung/smdkv210/prebuilt/libfriendlyrm-hardware.so

該庫文件在開發(fā)板上位于/system/lib/libfriendlyarm -hardware.so目錄下，部署完畢后，可直接通過HardwareControler類來調(diào)用libfriendlyarm-hardware.so庫中的接口，關(guān)鍵代碼如下：

public void ReadSerial()

savedata.setDbOpenHelper(dbopenhelper);

/* * @param:要查詢的文件描述符，阻塞等待時間(納秒)

@return:1有數(shù)據(jù)可讀;0沒有數(shù)據(jù)可讀;-1出錯

*/

int m = HardwareControler.select(fd, 2, 20);

if (m == 1)

{

byte[] buf = new byte[32];

try {

Thread.sleep(90);// 每90毫秒接收一次} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();}

/* * 從串口讀取數(shù)據(jù)

@param：要讀取數(shù)據(jù)的文件描述符，存儲數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，要讀取數(shù)據(jù)的長度

@return:讀取的字節(jié)數(shù)，成功; -1出錯;0在調(diào)read之前已到達(dá)文件末尾

*/

int n = HardwareControler.read(fd, buf, buf.length);

SensorData sensorData = new SensorData();

if(buf[0] == 126 && buf[1] == 69 && buf[31] == 126)

{// 得到傳感器對象

Parent parent = (Parent) sensorData.GetSensorParameter(buf);

int tag = 0;

if (parent != null) {

tag = parent.getTag();

// 得到傳感器標(biāo)號}

3.3 數(shù)據(jù)存儲

Android專門提供了1個類SQLiteDatabase，該類封裝了一些操作數(shù)據(jù)庫的API。Android采集終端的數(shù)據(jù)庫初始化主要包括數(shù)據(jù)庫建庫、數(shù)據(jù)庫建表兩部分，系統(tǒng)進(jìn)行初始化時，首先向配置模塊讀取配置信息，檢查數(shù)據(jù)庫是否已經(jīng)保存在存儲卡中，如果存在，則直接建立數(shù)據(jù)庫對象并將對象存入數(shù)據(jù)庫連接池，如果不存在，則通過execSQL()方法執(zhí)行1條語句創(chuàng)建1個數(shù)據(jù)庫[16]，創(chuàng)建和打開數(shù)據(jù)庫代碼如下：

// 調(diào)用父類的構(gòu)造器 數(shù)據(jù)庫保存在/包/database

// name：數(shù)據(jù)庫名稱 factory cursor工廠

public class DBOpenHelper extends SQLiteOpenHelper {

public DBOpenHelper(Context context) {

super(context, Environment

getExternalStorageDirectory().getPath()

+ "/Terminal/database/terminal.db", null, 1);

}

4 整體設(shè)計(jì)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控

為了驗(yàn)證當(dāng)實(shí)驗(yàn)室處于高溫狀態(tài)下的預(yù)警情況，本文采用模擬加熱的方式來增加傳感器周圍的溫度，通過Android采集終端觀察實(shí)驗(yàn)室周圍逐漸變化的溫度。

在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室是否處于火光照射或者強(qiáng)光照射下時，筆者模擬不同光照強(qiáng)度，通過Android采集終端觀察傳感器數(shù)據(jù)，并繪制曲線，如圖5所示。

圖5 溫度、光照測試曲線

4.2 系統(tǒng)平臺

系統(tǒng)通過對無線傳感網(wǎng)絡(luò)、Android嵌入式系統(tǒng)的深入研究，集成了多種傳感器接口，主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、危險氣體濃度傳感器等，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地獲取實(shí)驗(yàn)室的狀態(tài)信息。系統(tǒng)具備可視化的監(jiān)測交互界面，具備預(yù)警功能，在實(shí)驗(yàn)室發(fā)生安全隱患或危險時能夠發(fā)出警報，對應(yīng)的無線傳感節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)測試平臺如圖6、7所示。

圖6 無線傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

5 結(jié) 語

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室的安全監(jiān)控系統(tǒng)大都需要依賴于有線網(wǎng)絡(luò)，對于室外復(fù)雜工業(yè)環(huán)境或者室內(nèi)已建成的實(shí)驗(yàn)室來說造價過高。本文提出一種基于Android平臺和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控方法，集成多種傳感器借口，能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地獲取檢測對象的狀態(tài)信息。系統(tǒng)無需布線，造價低廉，通信可靠，Android數(shù)據(jù)采集終端通過串口獲取無線傳感網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控信息并上傳至遠(yuǎn)程中心。能夠?qū)崿F(xiàn)一對多監(jiān)控，即再有wifi或3G的條件下管理員能通過PDA設(shè)備遠(yuǎn)程獲取多個實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控狀態(tài)。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)時性優(yōu)良，在反復(fù)測試過程中性能良好，適合化工實(shí)驗(yàn)室、大型儀器實(shí)驗(yàn)室、多媒體實(shí)驗(yàn)室、室外等環(huán)境下的安全監(jiān)控。

圖7 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

[1] 廖慶敏.高校實(shí)驗(yàn)室安全管理之思考[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2010，29(1):168-170.

[2] 左富強(qiáng), 賈丹丹, 李 宏. 基于鍵入時指紋識別的開放型實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2007, 26(11):19-22.

[3] 李凌晶, 孫力娟, 王汝傳, 等.能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可信路由協(xié)議[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2010, 32(12): 2711-2715.

[4] 曾 磊, 張海峰, 侯維巖. 基于WiFi的無線測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電測與儀表, 2011(7):81-83, 96.

[5] JIANG Lin-ying, ZHU Zhi-liang, LI Hai-long,etal. Embedded Laboratory Environment Monitor System[C]∥2009 WASE International Conference on Information Engineering, 2009.179,197-201.

[6] 蔣耘晨. 基于校園網(wǎng)和ZigBee技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控管理系統(tǒng)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2010, 27(7):104-106.

[7] 李 磊, 林土勝, 吳振強(qiáng). 基于Zigbee技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室無線安全監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2011, 28(1):108-111, 116.

[8] Doherty L. Algorithms for position and data recovery in wireless sensor networks [D]. Berkeley: U C Berkeley.

[9] Levis P, Madden S, Gay D,etal.The emergency of networking abstractions and techniques in TinyOS[C]∥Proceedings of the 1st Conference on Symposium on Networked Systems Design and Implementation, 2004.

[10] 任豐原, 黃海寧, 林 闖. 無線傳感網(wǎng)絡(luò)[J]. 軟件學(xué)報, 2003, 14(7):1282-1291.

[11] 鄧 潔, 程良倫. 大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多優(yōu)先級自適應(yīng)分簇路由協(xié)議[J]. 傳感器與位系統(tǒng), 2010(8):78-81.

[12] 劉 河. 無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇算法研究[D]. 武漢：華中科技大學(xué), 2007.

[13] XIE Chenhui, ZHOU Jian, LI Shan-shan,etal. The Design and Implementation of Mobile Monitoring System of Transmitting Station Based on Android Platform[J]. IERI Procedia, 2012(3):81-86.

[14] Wang Yanle, Qi Chang-song, Pan Hong-jun. Design of Remote Monitoring System for Aquaclture Cages Based on 3G Network and ARM-Android Embedded System[J]. Rrocedia Engineering, 2012(29):79-83.

[15] Chikaraishi Takenobu, Minato Takashi, Ishiguro Hiroshi. Development of an Android system integrated with sensor newworks[C]//2008 IEEE/RSJ Internationl Conference on Intelligent Ro-bots and Systems, IROS, 2008:326-333.

[16] Yanle Wang, Changsong Qi, Hongjun Pan. Design of Remote Monitoring System for Aquaclture Cages Based on 3G Network and ARM-Android Embedded System[J]. Rrocedia Engineering, 2012(29):79-83.

·名人名言·

只有嚴(yán)格的專業(yè)化能使學(xué)者在某一時刻，大概也是他一生中唯一的時刻，相信自己取得了一項(xiàng)真正能夠傳至久遠(yuǎn)的成就。今天，任何真正明確而有價值的成就，肯定也是一項(xiàng)專業(yè)成就。

——馬克斯·韋伯

Research of Laboratory Remote Monitoring and Early Warning System Based on Wireless Sensor Network

GUOYing，CHENYan，HUIFei

(Chang’an University, Xi’an 710064，China)

Laboratory monitoring and early warning scheme mainly depends on traditional wired network, it has tedious accessing process, high cost, scalability, and poor performance of mobile. In order to overcome these problems, a wireless remote monitoring system for laboratory was designed and developed. The real-time status data of the laboratory were collected by the sensor with wireless sensor network, then the data would be converged to the Android data acquisition terminal, and lastly would be sent to the remote web server. The remote administrator could view the data with a PDA equipment, and compressed and analyzed the data. Experiments proved that the system was stable and reliable, real-time, low cost, and suitable for many kinds of laboratory environment.

laboratory remote monitoring; wireless sensor network; Android

2015-08-17

國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009AA11Z203);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2013G5240009)

郭 迎(1989-)，女，陜西西安人，碩士，助理工程師，從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理工作。研究方向：嵌入式系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)、軟件技術(shù)。

Tel.：15691863165；E-mail：guoying_chd@126.com

TN 926;G 642.0

A

1006-7167(2016)03-0105-05