基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的房屋健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周鵬 章偉 張小強(qiáng)

摘 ?要： 由于通過(guò)有線(xiàn)傳輸傳感器數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)現(xiàn)有房屋安全的方式花費(fèi)高，布線(xiàn)繁瑣，線(xiàn)路后期維護(hù)成本高等原因，在此以ZigBee技術(shù)為平臺(tái)，設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸傳感器數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，其中節(jié)點(diǎn)硬件包括主電路模塊、電源模塊和傳感器模塊。軟件設(shè)計(jì)是基于ZigBee技術(shù)的Z?Stack協(xié)議棧。對(duì)節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離和數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際建筑物中的可行性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過(guò)路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)跳傳可以準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)，并能夠在實(shí)際中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 房屋安全; 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò); ZigBee; 數(shù)據(jù)傳輸; Z?Stack協(xié)議棧; 跳傳

中圖分類(lèi)號(hào)： TN711?34; TP299 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2018）10?0005?05

Abstract： Since there exist problems of high cost， complicated wire routing and high expenses of later?stage wire maintenance in the mode of using wire transmission sensor data to monitor the existing building safety， a sensor data monitoring system based on wireless sensor network transmission was designed taking ZigBee technology as the platform. The system consists of coordinator node， router node， and wireless sensor node. The nodes′ hardware is composed of main circuit module， power module，and sensor module. The software design is based on the Z?stack protocol stack of Zigbee technology. The transmission distance and data transmission accuracy between nodes and the feasibility of the whole network in real building were tested. The results show that the designed wireless sensor network system can transmit data accurately by means of data hop transmission via the router， and can be applied in practice.

Keywords： building safety; wireless sensor network; ZigBee; data transmission; Z?stack protocol stack; hop transmission

0 ?引 ?言

目前我國(guó)房屋安全事故頻繁發(fā)生，部分房屋出現(xiàn)突然倒塌，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失[1]。另外，國(guó)內(nèi)很多房屋都是20世紀(jì)八九十年代建造的，經(jīng)過(guò)這么多年的使用，它們的安全性能如何，是否對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅，都是亟待回答的問(wèn)題[1]。

對(duì)于房屋安全問(wèn)題，傳統(tǒng)方法是一種有線(xiàn)檢測(cè)的過(guò)程，其缺點(diǎn)是不夠?qū)崟r(shí)和全面，此外在已建的房屋中布置數(shù)據(jù)線(xiàn)路不僅花費(fèi)巨大，且對(duì)于后期的線(xiàn)路維護(hù)也將產(chǎn)生巨大的費(fèi)用。為此，基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)房屋健康安全。

1 ?ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[2]。其MAC層和物理層是基于IEEE 802.15.4通信協(xié)議，而網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議是由ZigBee聯(lián)盟進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、大容量、高可靠性以及靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，其可應(yīng)用于商業(yè)樓宇、醫(yī)學(xué)應(yīng)用以及工業(yè)控制[3]。

2 ?系統(tǒng)總體方案

2.1 ?無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

在建筑物中大量布置無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)采集應(yīng)力傳感器、傾角傳感器、以及位移傳感器的數(shù)據(jù)，并通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)來(lái)完成數(shù)據(jù)的接力傳輸，最后將各個(gè)節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)器上并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架如圖1所示。

2.2 ?設(shè)備節(jié)點(diǎn)硬件框架

設(shè)備節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與各個(gè)傳感器相連接，因?yàn)閭鞲衅骱碾娏糠浅４螅詿o(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)選擇電源適配器供電。而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)需任意布置且不需要連接傳感器，所以其通過(guò)鋰充電電池供電。

2.2.1 ?無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)并不是傳感器本身，而是可以將傳感器（應(yīng)力傳感器、位移傳感器、傾角傳感器等）連接在其上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)[4]。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，其包括微處理器模塊（內(nèi)部包括射頻相關(guān)模塊）、電源模塊、傳感器模塊。

2.2.2 ?協(xié)調(diào)器與路由器節(jié)點(diǎn)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立和路由選擇，不連接傳感器。其設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，包括微處理器模塊（內(nèi)部包括射頻相關(guān)模塊）、電源電路、電源欠壓報(bào)警模塊以及程序下載接口。

2.3 ?設(shè)備節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)備節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)采用的是Ti公司的CC2530F256微處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee的片上應(yīng)用。它支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議，是世界上首個(gè)單芯片ZigBee解決方案[2]。

2.3.1 ?主電路模塊設(shè)計(jì)

微控制器CC2530F256及其外圍電路、巴倫電路以及天線(xiàn)接口，組成了節(jié)點(diǎn)的主電路模塊部分。圖4是節(jié)點(diǎn)的核心模塊電路連接圖。

圖4中微控制器CC2530F256的工作電壓為3.3 V，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)是由電源適配器來(lái)供電的，而協(xié)調(diào)器和路由器是由電池來(lái)供電的。端口P0.0，P0.1和P0.6連接指示燈電路，用來(lái)指示節(jié)點(diǎn)的不同工作狀態(tài)。P2.1（DD）和P2.2（DC）連接JTAG編程口，用于程序在線(xiàn)調(diào)試。在無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)中，微處理器的P1.6（TX）和P1.7（TX）口連接到傾角傳感器，P0.3（TX）和P0.2（RX）口連接到應(yīng)力傳感器，P0.7口連接到拉線(xiàn)位移傳感器。RF_P與RF_N引腳連接的射頻天線(xiàn)模塊包括：巴倫電路、2.4 GHz外置天線(xiàn)及天線(xiàn)接口。其中2.4 GHz外置天線(xiàn)是長(zhǎng)10 cm的單天線(xiàn)，優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。天線(xiàn)接口使用標(biāo)準(zhǔn)的SMA接口。

2.3.2 ?傳感器模塊

用于房屋安全監(jiān)測(cè)的傳感器主要有三種，分別是傾角、位移以及應(yīng)力傳感器[5]。通過(guò)布置傾角傳感器，可以隨時(shí)并且直觀地發(fā)現(xiàn)房屋存在的各種安全隱患，例如墻面整體是否正在慢慢發(fā)生傾斜[6]。測(cè)位移是由于損傷、額外的負(fù)載以及一些自然因素的影響，墻面以及一些重要構(gòu)件之間很容易產(chǎn)生相對(duì)位移[7]。如地表的輕微震動(dòng)恢復(fù)平靜之后，一些構(gòu)件沒(méi)有回到原來(lái)的位置。監(jiān)測(cè)應(yīng)力是因?yàn)橐恍┚植课灰屏窟€不能完全地監(jiān)測(cè)整個(gè)房屋的安全，因?yàn)榉课萁Y(jié)構(gòu)的破壞不一定在位移最大處，而是在應(yīng)力或應(yīng)變的最大處[8]。所以選用SCA126V?10?232型號(hào)的傾角傳感器，測(cè)量范圍是-10°～10°，RS 232信號(hào)輸出;MSP?S?V型號(hào)的拉線(xiàn)式位移傳感器，測(cè)量范圍是0～1 000 mm，對(duì)應(yīng)0～5 V直流信號(hào);YT?ZX?0100型號(hào)振弦應(yīng)力傳感器，測(cè)量范圍是±1 500 με，RS 485信號(hào)輸出。后面以?xún)A角傳感器為例進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試。

2.3.3 ?電源模塊

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)上除主電路模塊外還連有傳感器模塊。圖5是其電源設(shè)計(jì)原理圖，在整個(gè)電源設(shè)計(jì)中，根據(jù)傳感器模塊，應(yīng)力傳感器需要24 V和12 V。傾角傳感器可以是9～36 V，所以選擇12 V供電。拉線(xiàn)位移傳感器可以是10～24 V，為方便設(shè)計(jì)，也選用12 V供電。微處理器CC2530是3.3 V供電。MAX485芯片和MAX232芯片供電是5 V。所以整個(gè)節(jié)點(diǎn)的電源設(shè)計(jì)由24 V接入，經(jīng)電源芯片LM2576S?12降到12 V，再經(jīng)過(guò)電源芯片LM2576S?5降到5 V，最后經(jīng)電源芯片AMS1117?3.3降到3.3 V。而路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用3.7 V/2 000 mA·h鋰充電電池供電。圖6是其充電電路和電源穩(wěn)壓電路。充電管理芯片TP4057和穩(wěn)壓芯片XC6206能夠提供穩(wěn)定的3.3 V電壓。XC6206是一款高精度、低功耗、高電壓、正電壓調(diào)整芯片[9]。其失穩(wěn)電壓只有160 mV，所以非常適用于將3.7～4.2 V的電池電壓轉(zhuǎn)成3.3 V的電壓。

3 ?系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

在具體調(diào)試Z?Stack協(xié)議棧時(shí)，首先需要根據(jù)具體硬件設(shè)計(jì)完成基礎(chǔ)的設(shè)置（如按鍵和燈光I/O口配置），其修改文件是在hal_board_cfg.h。然后在應(yīng)用層完成各個(gè)任務(wù)函數(shù)的調(diào)用和修改，如節(jié)點(diǎn)狀態(tài)改變函數(shù)App_ProcessZDOStateChange（），在建立網(wǎng)絡(luò)（協(xié)調(diào)器）或加入網(wǎng)絡(luò)（設(shè)備節(jié)點(diǎn)）成功后，進(jìn)行事件處理，包括采集傳感器數(shù)據(jù)和無(wú)線(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)[10]。

首先進(jìn)行初始化協(xié)議棧并建立網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立成功后，等待接收串口命令和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。圖7是協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)流程圖。對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，初始化之后加入網(wǎng)絡(luò)，接收網(wǎng)絡(luò)中屬于自己的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)命令進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集。圖8是無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖。

4 ?系統(tǒng)性能測(cè)試及分析

4.1 ?節(jié)點(diǎn)間通信距離測(cè)試

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距離測(cè)試主要分為三個(gè)部分：一是空曠條件下，單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的距離測(cè)試;二是在有墻面的建筑物內(nèi)，單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的距離測(cè)試;

三是在建筑物內(nèi)兩點(diǎn)之間添加路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)跳傳后，兩點(diǎn)之間的傳輸距離。測(cè)試實(shí)驗(yàn)通過(guò)采集傾角傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。表1是不同環(huán)境下測(cè)得的最大傳輸距離。其測(cè)得的通信距離是一個(gè)范圍，這是因?yàn)樵谶@樣一個(gè)范圍，所傳回的傳感器數(shù)據(jù)的精度是一個(gè)可接受的范圍，這部分將在精度測(cè)試部分說(shuō)明。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，在空曠的環(huán)境下，兩節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離最遠(yuǎn)是70～82 m，當(dāng)建筑物內(nèi)有一面墻阻隔時(shí)，傳輸距離會(huì)下降，大概在30～43 m之間;如果兩點(diǎn)之間的障礙物很密集，信號(hào)會(huì)銳減，無(wú)法建網(wǎng)，傳輸距離幾乎為0。而在兩節(jié)點(diǎn)之間添加路由器，可以有效增加傳輸距離，尤其是在障礙物密集時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在通過(guò)有兩面墻阻礙的兩節(jié)點(diǎn)之間添加路由器，可以解決信號(hào)快速衰減問(wèn)題，使得傳輸距離增加到38～49 m。

4.2 ?傳輸精度測(cè)試

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木葴y(cè)試，采用的是將傾角傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)的方式讀回，然后進(jìn)行對(duì)比。其中有線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)串口線(xiàn)將傾角傳感器與電腦連接，即在無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)采集傾角傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)，也會(huì)通過(guò)有線(xiàn)的方式發(fā)送到電腦上。表2是在有效的通信距離內(nèi)不同環(huán)境下測(cè)得的傾角傳感器連續(xù)20次數(shù)據(jù)的平均值（去除極值）和通過(guò)與有線(xiàn)對(duì)比得出的無(wú)線(xiàn)傳輸精度和丟失數(shù)據(jù)包次數(shù)。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，同一環(huán)境下，在有效的通信距離內(nèi)，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸精度也會(huì)因?yàn)榫嚯x的增加而略有下降。在空曠條件下，傳輸精度在有效距離內(nèi)與有線(xiàn)傳輸一致，精度為100%。當(dāng)在建筑物內(nèi)，沒(méi)有路由器的條件下，傳輸精度會(huì)有所下降，達(dá)到93.2%（30～39 m）和91.5%（39～43 m）。而在添加路由器之后，傳輸精度和傳輸距離都有明顯提高，能夠達(dá)到99.3%（46～51 m）和98.5%（51～55 m）。尤其是對(duì)于障礙物較密（兩面墻）情況下，添加路由器之后，可以從幾乎不能傳輸達(dá)到大幅度提高傳輸距離和精度，能到達(dá)98.1%（38～45 m）和97.2%（45～49 m）。可以看出，通過(guò)路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)跳傳，可以解決信號(hào)在建筑物內(nèi)的衰減問(wèn)題。

4.3 ?系統(tǒng)整體測(cè)試

根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的距離和精度測(cè)試，系統(tǒng)的整體應(yīng)用測(cè)試采用一種倒“T”型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖9所示，在一幢四層樓進(jìn)行整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的布置。通過(guò)在每層走廊的水平方向和大樓的一側(cè)外墻面垂直方向布置路由器中繼節(jié)點(diǎn)，選擇這種倒“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是因?yàn)楦鶕?jù)前面的測(cè)試發(fā)現(xiàn)墻面對(duì)信號(hào)傳輸干擾很大（尤其是兩面墻），所以通過(guò)這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，盡量避免在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)數(shù)據(jù)被干擾。然后添加無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，加入這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸，進(jìn)行測(cè)試。

表3是以?xún)A角傳感器為例的4個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)這種倒“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳輸?shù)膬A角傳感器數(shù)據(jù)（去除極值后20次的平均值）。

測(cè)試結(jié)果表明，通過(guò)在建筑物中進(jìn)行這種倒“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的布置，可以比較精確地?zé)o線(xiàn)傳輸關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)。所以，系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案是可行的。

5 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計(jì)一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案，并通過(guò)采集傾角、應(yīng)力和位移傳感器的數(shù)據(jù)，將這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用到特定的房屋安全監(jiān)測(cè)上。對(duì)節(jié)點(diǎn)的通信距離和精度進(jìn)行測(cè)試，并在實(shí)際的建筑物中通過(guò)倒“T”型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)的整體進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)精度高，傳輸距離遠(yuǎn)。在建筑物內(nèi)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間添加路由器，可以有效提高傳輸精度和傳輸距離。所以，設(shè)計(jì)的這種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)方案可以被實(shí)際應(yīng)用到房屋監(jiān)測(cè)上。

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