基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)①

李少偉,王喜喜,傅 詩

(江漢大學(xué) 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院,武漢 430056)

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于實驗室、工廠、農(nóng)業(yè)以及軍工等各個領(lǐng)域.設(shè)計完善的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可以大大減少災(zāi)難事故的發(fā)生,從而間接提高安全生產(chǎn)效率.文獻(xiàn)[1]提出了一種基于Android 和Zigbee 的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),可以實現(xiàn)移動端對環(huán)境的實時監(jiān)控.但由于其所使用的傳感器與單片機之間采用固定的RS232 接口連接,因此整個系統(tǒng)的可擴展性較差；梁灼永、佟偉等人在論文中介紹了若干專用環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[2,3],其最大的特點就是針對特定的系統(tǒng)有完善的監(jiān)控功能.但由于系統(tǒng)專用性強,無法實現(xiàn)大范圍推廣,同時不具備遠(yuǎn)程訪問能力；文獻(xiàn)[4,5]將WIFI 及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入系統(tǒng)中,但最終僅僅實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)的訪問,同時傳感器數(shù)據(jù)接口采用了與文獻(xiàn)[1]相似的方法,因此擴展性較差；文獻(xiàn)[6]采用了數(shù)據(jù)庫技術(shù),將傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)庫中,可以方便對數(shù)據(jù)的各種操作.但是該文中將傳感器直接與服務(wù)器連接,這種做法在工程實踐中幾乎沒有實用性；文獻(xiàn)[7]中魏訪將Zigbee 技術(shù)與傳感器相結(jié)合,解決了傳感器部署的難題.但由于該系統(tǒng)僅僅實現(xiàn)了溫濕度監(jiān)控,而且沒有引入必要的通信協(xié)議,導(dǎo)致無法形成復(fù)合傳感器網(wǎng)絡(luò),降低了系統(tǒng)可擴展性,同時其監(jiān)控端布置于PC 機,無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控.

綜合考慮以上系統(tǒng)中存在的不足,本文提出了一種基于Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)與移動數(shù)據(jù)訪問技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng).為了實現(xiàn)在不增加接口硬件的情況下對不同傳感模塊的讀寫,該系統(tǒng)利用Zigbee 模塊內(nèi)置的51 單片機系統(tǒng)模擬不同傳感網(wǎng)絡(luò)的接口協(xié)議,從實現(xiàn)對傳感模塊的數(shù)據(jù)讀取,提高了系統(tǒng)的可擴展性；在系統(tǒng)的設(shè)計過程中引入了ZStack 協(xié)議棧以及移動端訪問技術(shù),實現(xiàn)了對環(huán)境的溫濕度、煙霧、漏水檢測等六個方面的監(jiān)控；利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)強大的存儲能力,將獲得的數(shù)據(jù)存儲于其中,方便任意網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對環(huán)境系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控.該系統(tǒng)在提高系統(tǒng)集成度的同時,簡化了傳感器的部署,提高了系統(tǒng)可擴展性,實現(xiàn)了移動端對監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程訪問.

1 系統(tǒng)模型

如圖1所示為環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

從圖1可知,整個系統(tǒng)由Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及客戶端組成,其組成與功能如下：

(1)Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)包含節(jié)點傳感器與協(xié)調(diào)器.其中的節(jié)點傳感器由傳感器模塊與基于CC2530 的Zigbee 無線數(shù)傳模塊組成.CC2530 模塊中內(nèi)建有51 單片機系統(tǒng),可以實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的采集與打包,并通過其中的無線Zigbee 模塊定時發(fā)送至協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器則接收來自傳感器的數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)關(guān).由于ZStack 協(xié)議棧的存在,因此節(jié)點傳感器的數(shù)量可動態(tài)增減.

(2)基于Cortex A8 的網(wǎng)關(guān)上運行有一套Linux 操作系統(tǒng).該系統(tǒng)一方面通過串口接口來自協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù),另一方面則將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器.

(3)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器首先接收來自網(wǎng)關(guān)的傳感器數(shù)據(jù),然后通過特定的協(xié)議對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析并標(biāo)以時間標(biāo)簽,最后將數(shù)據(jù)存儲于表中,供遠(yuǎn)程客戶端訪問.

(4)客戶端程序通過TCP/IP 協(xié)議連接到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的數(shù)據(jù)服務(wù)程序,實時獲取當(dāng)前環(huán)境信息.

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

為了簡化軟硬件設(shè)計上的難度,本系統(tǒng)中所有的無線數(shù)傳模塊均具有相同的硬件結(jié)構(gòu),同時引入ZStack 協(xié)議,并對數(shù)據(jù)傳輸格式進(jìn)行了定義,實現(xiàn)了基于Zigbee 的無線傳感網(wǎng)絡(luò).如圖2所示為基于CC2530 的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件電路圖.

由圖2可知,CC2530 模塊共引出19 個I/O 引腳,這些引腳可全部配置為通用I/O 方式或者根據(jù)應(yīng)用的需要,將其中的部分配置為模擬輸入引腳.對于本系統(tǒng)而言,所選用的傳感器接口共分為三種,分別是普通I/O 口、IIC 接口以及模擬數(shù)據(jù)接口.因此,我們可以利用CC2530 模塊中的單片機系統(tǒng)直接實現(xiàn)對I/O 端口以及模擬數(shù)據(jù)的讀取.但是對于IIC 接口,則需要利用普通I/O 口模擬實現(xiàn)IIC 協(xié)議[8].

2.1 ZStack 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

由于本系統(tǒng)中引入了TI 公司的ZStack 協(xié)議棧技術(shù),因此Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)傳模塊與協(xié)調(diào)器均具有相同的硬件結(jié)構(gòu)以及相似的軟件結(jié)構(gòu).如表1所示為ZStack 協(xié)議棧中用戶需要修改的關(guān)鍵模塊.

在編程實現(xiàn)表1中所有模塊功能的前提下,所有基于ZStack 協(xié)議棧的節(jié)點傳感器均可以動態(tài)加入或者撤出整個傳感網(wǎng)絡(luò).而且其傳輸過程對程序員而言完全透明,大大降低了數(shù)傳模塊的軟件開發(fā)難度.

2.2 模擬IIC 總線

在CC2530 模塊中并未集成IIC 接口,因此需要利用普通I/O 接口模擬IIC 總線協(xié)議中的SCL 和SDA 接口,從而實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的讀取.總體而言,IIC 總線的工作流程包括以下幾個方面：

圖2 基于CC2530 無線數(shù)傳模塊

表1 ZStack 關(guān)鍵模塊

(1)起始和結(jié)束.如圖3所示為IIC 總線的起始和結(jié)束時序圖.當(dāng)總線處于空閑狀態(tài)時,且SCL 處于高電平,SDA 線上的下降沿表示起始信號；當(dāng)總線上的數(shù)據(jù)傳輸完成后,且SCL 處于高電平時,SDA 線上的上升沿表示結(jié)束信號.

圖3 總線起始與結(jié)束

(2)數(shù)據(jù)有效性.如圖4所示為總線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序圖.在數(shù)據(jù)傳輸過程中,一旦SCL 處于高電平狀態(tài),SDA 上的數(shù)據(jù)則必須保持穩(wěn)定.

圖4 總線數(shù)據(jù)有效性

(3)應(yīng)答.當(dāng)主機向從機發(fā)送完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)后,需要等待從機返回一個應(yīng)答信號,以確認(rèn)從機是否成功接收到數(shù)據(jù).其中低電平0 表示應(yīng)答,1 表示非應(yīng)答.如圖5所示.

圖5 應(yīng)答信號時序

3 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

根據(jù)上文所述,本系統(tǒng)中實現(xiàn)了對六種不同種類傳感器數(shù)據(jù)的讀取與監(jiān)控.為了防止不同傳感器數(shù)據(jù)在發(fā)送過程中由于產(chǎn)生沖突而出現(xiàn)的數(shù)據(jù)混亂以及丟失,所有數(shù)據(jù)在發(fā)送前必須按照協(xié)議進(jìn)行編碼.接收方在獲取數(shù)據(jù)后,則需要按照規(guī)則進(jìn)行解碼.如表2所示為數(shù)據(jù)編碼協(xié)議.

表2中有下劃線的部分表示實時讀取的傳感器信息,除協(xié)議結(jié)尾0x10 為16 進(jìn)制外,其余部分均采用ASCII 碼表示.

表2 數(shù)據(jù)編碼協(xié)議

3.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)中所采用的服務(wù)器運行有Windows 操作系統(tǒng),因此選擇SQL Sever 數(shù)據(jù)庫軟件來存儲獲取到的傳感器數(shù)據(jù)信息.由于所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較為簡單,因此數(shù)據(jù)庫中僅建立有一張表,如表3所示為表中的列.

表3 數(shù)據(jù)表

3.3 軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為四個部分,分別是傳感器節(jié)點(含協(xié)調(diào)器)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器以及客戶端.各部分軟件工作流程如圖6所示.

4 系統(tǒng)應(yīng)用與性能分析

為了驗證該系統(tǒng)的實用性,同時分析系統(tǒng)的運行效率,在江漢大學(xué)交叉科學(xué)院與數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)學(xué)院的協(xié)助下,本系統(tǒng)最終部署于江漢大學(xué)高性能計算實驗室.如圖7所示,為傳感器部署圖.其中圓圈內(nèi)為傳感器節(jié)點.

由圖7可知,該實驗室內(nèi)部已安裝部署有煙霧、溫濕度等傳感器節(jié)點用以監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境.但其采用有線的安裝方式,無疑會增加安裝難度同時限制了其擴展性；采用無線節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取與傳輸,恰恰可以克服上述缺點,同時能靈活實現(xiàn)節(jié)點數(shù)量及種類的改變.

4.1 系統(tǒng)性能分析

本系統(tǒng)無線部分由6 個傳感器節(jié)點以及一個路由節(jié)點組成.為了測試整個網(wǎng)絡(luò)的擴展性、抗干擾性及數(shù)據(jù)傳輸速率,網(wǎng)關(guān)節(jié)點會將收到的信息如圖8所示實時顯示在屏幕上.用戶只需要觀察收到的信息是否有序,即可判斷無線收發(fā)是否正常.

本文采用如表4所示的數(shù)據(jù)設(shè)定數(shù)據(jù)發(fā)送間隔(見表1).得到的結(jié)果如表4右側(cè)所示.

根據(jù)CC2530 用戶手冊[8]可知,該芯片最大傳輸速率約為30 kbps.表2所列舉的數(shù)據(jù)編碼協(xié)議最長不超過21 個字符,即0.7 ms 即可發(fā)送完畢.但由于ZStack協(xié)議棧的存在占用了大量資源,因此數(shù)據(jù)發(fā)送間隔不能太小.

圖6 系統(tǒng)工作流程

圖7 傳感器部署圖

圖8 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)

表4 速率測試數(shù)據(jù)表(單位：ms)

4.2 系統(tǒng)運行

如圖9所示為基于Android 的移動客戶端監(jiān)控軟件.軟件運行后會提醒用戶輸入服務(wù)器IP 地址以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件所占用的端口號,以便與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)軟件建立連接,從而獲取傳感器數(shù)據(jù).由于當(dāng)前系統(tǒng)主要用于內(nèi)網(wǎng)測試,因此并沒有加入身份驗證功能.

圖9 軟件登錄

若上述信息輸入正確,則軟件跳轉(zhuǎn)進(jìn)入如圖10所示的運行界面.在運行界面中,弧形進(jìn)度條表示當(dāng)前粉塵量,同時輔以優(yōu)、良、差的文字進(jìn)行描述；云朵下方的雨滴圖形表示是否漏水有雨滴滲入；云朵圖案右方為煙霧狀態(tài)；溫度和濕度采用文字的形式告知用戶.

圖10 軟件運行界面

5 結(jié)論與展望

本文提出了一種基于CC2530 模塊的Zigbee 無線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)利用CC2530 內(nèi)部的51 單片機作為主控芯片,模擬外部傳感器的接口協(xié)議,從而在不增加接口器件的情況下,適應(yīng)不同傳感設(shè)備的讀寫需求,增強了整個系統(tǒng)的擴展性；在完成對數(shù)據(jù)的采集后,該主控芯片對環(huán)境信息進(jìn)行采集、編碼以及傳輸,同時引入了ZStack 協(xié)議,降低了傳感網(wǎng)絡(luò)中控制軟件的復(fù)雜程度；通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的建立,實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的動態(tài)、遠(yuǎn)程訪問.與現(xiàn)有技術(shù)相比,該系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)動態(tài)布局、擴展性以及軟件靈活性方面有了一定的改善.在下一步的工作中,可以嘗試對多個場所的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行互聯(lián),建立多層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),從而可以實現(xiàn)對更大范圍的環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)控.