基于WSN數據融合的室內環境監控系統設計

周彬彬，俞建定，袁 飛，陳 翔

(寧波大學 信息科學與工程學院，浙江 寧波 315211)

0 引言

近年來，我國的城市化與工業化水平在逐步提高，國民經濟不斷增長的同時環境污染與安全問題日益嚴重，室外汽車尾氣和灰塵等空氣污染、室內可燃氣體的泄漏以及化學物品揮發的有害氣體等問題已經越來越被重視[1]，因此人們需要一個合適的室內環境監控系統對室內環境參數進行監測。然而現有的監控系統因為功能單一、自動化程度低、價格昂貴等缺陷，不能滿足人們對環境監控系統的需求。隨著無線傳感器網絡和嵌入式技術的迅猛發展，室內環境監控系統朝著智能化、實時化和集成化方向發展[2]。本文結合無線傳感器網絡技術、嵌入式技術以及數據融合技術，設計了一套智能化且可遠程監控的室內環境監控系統[3]，利用ZigBee網絡來實現對環境數據多點、多參數的數據采集和傳輸，并對采集的數據進行融合處理，遠程監控設備通過訪問嵌入式網關上的服務器實現對環境參數的實時查詢與控制。

1 系統總體框架設計

圖1為室內環境監控系統總體結構圖，系統由網關模塊、無線傳感網絡模塊和遠程監控設備三部分組成。網關采用Linux系統來構建，并在系統中移植嵌入式Web服務器與數據庫，無線傳感網絡系統采用ZigBee技術組建室內局域網[4]，終端節點對室內環境參數進行采集并傳輸到區域路由器上，在區域路由器上對數據進行第一次融合處理并通過協調器將數據發送到嵌入式網關上，在網關上對數據解析并進行第二次數據融合，判斷室內環境的整體舒適程度，最后將各區域的環境數據和融合后的數據存入網關本地數據庫當中。遠程監控設備采用Android手機，通過訪問網關上的Web服務器，查詢數據庫中室內環境參數的信息，也可以通過室內無線網向網關發送控制命令，并經網關解析后轉發到無線傳感網絡中的控制節點上，終端控制節點在收到路由轉發的命令后，解析命令并打開相應的控制開關來調節室內環境[5]。

圖1 系統結構

2系統硬件設計與實現

2.1 系統硬件結構組成

如圖2所示，系統主要由嵌入式網關、無線傳感網絡模塊和遠程監控設備組成，其中嵌入式網關主要由嵌入式處理器、網卡、報警電路、電源管理模塊等部分構成。

圖2 系統硬件結構

嵌入式網關控制器核心采用基于ARM920T內核的S3C2440A微處理器，ARM系列處理器技術成熟且有豐富的外設接口等資源[6]，外接2 M的NOR FLASH(MX29LV160DBTI-70G)、256 M的NAND FLASH(K9F2G08U0C)以及64 M的SDRAM(EM63A165TS)，可以支持Linux、PalmOS和WinCE等操作系統的啟動和運行。

無線傳感器網絡中的協調器通過串口與網關進行通信，節點控制器芯片選擇TI公司提供的CC2530。CC2530支持ZigBee協議棧并集成性能優良的RF收發器[7]，能在成本較低的情況下建立強大的網絡節點。

以太網模塊采用DM9000A芯片，實現網關與PC機客戶端的通信，遠程監控設備使用Android系統的智能終端，通過局域網訪問網關服務器獲取室內環境數據或發送控制命令。

2.2 無線傳感器網絡模塊硬件結構設計

無線傳感器網絡節點由傳感器模塊、控制器模塊、通信模塊以及電源管理模塊組成，實現環境信息的采集、數據處理、無線信號監測和數據傳輸等任務。應用各類傳感器模塊實現對室內溫濕度、可燃氣體及煙霧濃度等環境參數的采集，并將環境數據傳送給控制器模塊。控制器模塊實現對整個節點的控制及數據處理，負責建立、管理或加入網絡以及實現網絡之間安全可靠的通信[8]。通信模塊主要負責環境數據及控制命令傳輸等網絡之間的通信，電源管理模塊負責給傳感器網絡節點提供電源。其結構如圖3所示。

圖3 無線傳感器網絡節點硬件結構圖

采用DHT22數字溫濕度傳感器實現室內溫濕度信息的采集，DHT22模塊采用電容式感濕元件和NTC系數感溫元件組成，是一個集檢測溫濕度于一體且有數字信號校準輸出功能的復合傳感器；DHT22相比于DHT11擁有更高的精度和更大的量程[9]。DHT22采用單總線數據傳輸格式，最大傳輸距離可達到20 m，每次傳輸的數據為40位，一次通信時間為5 ms左右。

采用MQ-2傳感器對室內煙霧濃度進行測量，MQ-2是由對可燃氣體非常敏感的半導體材料二氧化錫(SnO2)制成，當MQ-2監測到所在區域存在對MQ-2敏感的氣體時，其電導率將會隨著敏感氣體濃度增多而變大，通過測量電路中電導率的大小就可以轉化為和可燃氣體濃度所對應的數據輸出，從而可以檢測煙霧或可燃氣體的泄漏等。

采用MQ-5傳感器對室內可燃氣體濃度進行測量，其工作原理類似于MQ-2。

3 系統軟件設計與實現

本系統軟件設計由Zigbee網絡模塊、網關模塊以及遠程監控設備三部分軟件設計組成。Zigbee網絡模塊軟件設計主要有網絡的建立與維護、數據傳輸、數據的采集和處理等。網關模塊主要完成Linux操作系統、嵌入式數據庫以及web服務器的移植，并完成數據的處理、存儲以及通信等應用程序的軟件設計。遠程監控設備是基于Android系統開發，主要是數據的實時查詢、室內空氣質量調控與報警等功能設計。

3.1 嵌入式網關程序流程設計

嵌入式網關軟件程序首先完成Linux操作系統、嵌入式web服務器以及嵌入式數據庫的移植，在此基礎上完成接收到的數據處理、存儲以及與其他模塊通信的應用程序設計。網關應用程序流程如圖4所示。ZigBee協調器通過串口將環境數據傳輸到網關上，網關偵聽到串口有數據的到來時，進入中斷模式并對數據進行解析后存入嵌入式數據庫，等待所有區域路由節點將環境數據傳輸到網關，當接收到所有區域路由的數據后，對所有數據采用DS證據理論算法進行融合處理，判斷室內環境質量及安全狀況。

圖4 網關應用程序流程

3.2 無線傳感器網絡節點軟件程序的設計

無線傳感器網絡采用ZigBee技術來實現網絡的組建和維護，ZigBee是在IEEE802.15.4協議基礎上定義的一種局域網協議，其數據傳輸速率低但可靠性高、自組網靈活、功耗和成本低，ZigBee是適合使用在通信距離和控制范圍較小的一種無線通信技術，在自動控制領域得到了很好的應用。

ZigBee具有星型、樹型和網狀型三種拓撲結構[10]。本系統采用的是一種基于輪詢式的樹型網絡拓撲結構，網絡節點分為協調器、路由器和終端節點，協調器收到請求命令后會喚醒相關聯的子節點，終端節點喚醒后將連續采集8次環境數據，并計算出各環境因子數據的平均值與方差，將數據發送到路由器上并對數據進行融合處理，最后將數據通過協調器傳輸至網關服務器上。這樣可降低網絡傳輸負載和功耗，也提高了系統的穩定性。環境數據采集流程如圖5所示。

圖5 環境數據采集流程

3.3 數據融合算法

本系統中，對傳感器數據的處理是重要的一部分。終端節點接收到被喚醒的命令后，傳感器會連續采集8次環境數據，計算環境信息的平均值和方差，然后將環境數據打包發送到區域路由器上，在路由器上采用自適應加權算法對數據進行數據級融合處理，最后將數據經過協調器發送到嵌入式網關上，在網關上采用DS證據理論算法進行決策級數據融合處理，判斷室內環境舒適度及安全狀況，并根據融合的結果對室內環境啟動相應的調控措施，保證室內一直處在舒適、健康和穩定的環境下[11]。

(1)

(2)

總均方誤差為：

(3)

由式(3)可以看出，總均方誤差σ2的值越小，融合后的數據就越和真實值相近，所以要求真實值就只需求監測點總均方誤差的最小值，而總均方誤差與每個監測點的加權因子有關，即加權因子Wi與σ2取得極值有關[13]，因此當σ2取得最小值時，各監測點的加權因子為：

(4)

依據式(3)和式(4)調整各終端節點的加權因子Wi，最后獲得各環境因子最佳的融合均值。

圖6 數據融合算法結構示意圖

依據DS證據理論算法對室內采集到的溫濕度、可燃氣體濃度、煙霧濃度等環境因子確定識別框架U，假設其識別框架U={u1,u2,u3},其中u1表示室內舒適且安全，u2表示室內不舒適但安全，u3表示室內不舒適且不安全。網關接收到環境數據后，對數據進行歸一化處理，得到目標的基本概率賦值函數，構造u1、u2和u3的隸屬度函數，計算實測值的基本可信度，最后采用DS證據理論算法得到室內是否安全以及舒適程度的決策[14]。其中隸屬度函數如式(5)所示：

(5)

4 系統控制設計與測試結果

遠程監控設備采用以Android系統為平臺的手持設備或手機，通過局域網訪問網關服務器，獲取嵌入式數據庫中存儲的環境數據，也可以向網關服務器發送查詢或控制指令，網關解析指令后通過串口傳輸到協調器上，終端節點接收到指令后會執行相應的操作，實現室內環境的遠程查詢及控制。

4.1 嵌入式服務器的建立

嵌入式網關服務器采用HTTP協議實現與遠程監控客戶端的數據交互，同時也為網關應用程序提供數據交互接口。此外，服務器還判斷客戶端是否具有訪問權限以及客戶端發送的命令是否有效。本系統選用在嵌入式系統應用廣泛的Boa web服務器，Boa是一個小巧、開源且高性能的單任務Web服務器，能夠支持認證和CGI技術，同時服務器的執行代碼大約只有60 M，占用內存空間小，速度快且穩定性好，因此特別適用于嵌入式系統[15]。根據嵌入式硬件特點及開發環境對Boa源碼的相關文件進行修改，使它適合嵌入式系統的交叉編譯環境，然后對Boa源碼進行編譯，生成Boa的可執行文件，修改Boa配置文件boa.conf中的的端口號、服務器名稱、HTML文檔目錄、CGI的PATH環境變量以及CGI腳本路徑等參數，配置好Boa服務器。系統上電后，服務器自動啟動后等待客戶端的連接請求并進行數據交互。

CGI稱為公共網關接口，是Web服務器與應用程序之間的標準接口，為兩者之間傳遞信息的規范[16]。系統中遠程監控客戶端通過對HTML文件中的表單向服務器發送請求，服務器接收到表單里的數據后響應客戶端請求并解析命令數據包，然后將數據發送到CGI程序中去。CGI程序處理數據并通過網關向ZigBee終端節點發出控制命令。終端節點接收到命令并響應后，會將響應結果返回給網關，網關再將信息發送到CGI程序中，CGI程序解析信息并傳輸到遠程監控設備上，最后在遠程監控客戶端得到室內環境質量的顯示以及環境調控設備的運行狀態，從而實現對室內環境質量和安全的遠程監控。Boa服務器主要功能如圖7所示。

圖7 boa服務器控制流程圖

4.2 遠程監控客戶端設計與結果測試

遠程監控設備采用裝有Android系統的智能手機或平板電腦，在Android系統平臺上遠程監控系統客戶端軟件采用MVC的設計模式，給用戶提供了簡潔、美觀和方便的界面圖形[17]?？蛻舳塑浖捎胹ocket通信方式與網關服務器進行通信，通過發送查詢指令來獲取數據庫里的數據或監聽服務器主動發送的數據來更新客戶端軟件圖形界面的參數?？蛻舳塑浖部梢酝ㄟ^socket向服務器發送控制命令從而實現控制室內設備的打開與關閉。

遠程監控客戶端軟件考慮到安全性和隱私性，登錄或注冊功能設計流程如圖8所示，登陸后主界面如圖9所示。

圖8 登錄或注冊功能設計流程

圖9 環境參數顯示界面

5 結束語

本文分別從硬件和軟件兩個方面介紹了基于WSN數據融合的室內環境監控系統，采用ZigBee技術結合各類傳感器實現室內無線局域網的組建以及環境數據的采集和傳輸，使系統具有功耗低、節點可任意放置和拓展、穩定性高等特點，采用數據融合算法對采集到的數據進行融合處理，可提高數據采集的精確性，降低網絡的傳輸負載，同時提高對室內環境和安全狀況判斷的準確性。用戶通過遠程監控終端實現遠程查詢和控制室內環境質量及安全狀況。系統中各模塊軟件功能互不干擾、獨立運行，使系統具有更高的穩定性。與一般的室內有線環境監控系統相比，該系統可根據需要適當增刪監測節點，組織更加靈活，應用更加廣泛，為工業監控、溫室監控以及養殖場監控等系統提供了科學可行的解決方案。

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