基于ZigBee與NB?IoT技術的白蟻偵測系統設計

2020-09-23 08:06:20李金倫趙承志楊超羅明璋

現代電子技術 2020年18期

李金倫趙承志楊超羅明璋

摘? 要：白蟻是一種破壞性極大的世界性害蟲，其危害范圍十分廣泛，包括房屋建筑、交通設施、江河堤壩等都是它的危害對象。這些危害不易被人察覺，但是一經發現往往后果已十分嚴重?，F有的白蟻防治手段主要是通過大范圍噴藥來實現的，這種方式不僅效率低、成本高，還會對環境造成大面積污染。針對上述技術不足，設計一種將ZigBee與NB?IoT技術融合的新型白蟻偵測系統，該系統采用獨創的白蟻偵測裝置，能夠高效準確地偵測蟻情;ZigBee?NB?IoT網絡架構覆蓋范圍廣且性價比高，實現信息的集中管理并能夠有效穩定地將數據上傳至云服務器;系統創新性地采用MSP430芯片作為偵測節點的“休眠保姆”，實現全網同步休眠機制，最大程度上降低功耗，使系統能夠長時間實時監測白蟻信息，工作人員可以通過終端設備查看偵測點的蟻情信息并進行精準滅殺，這樣既提高了白蟻防治的效率又減小了對環境的污染。

關鍵詞：蟻情偵測; 系統設計; 技術融合; 信息集中管理; 數據上傳; 同步休眠

中圖分類號： TN915.4?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）18?0106?05

Abstract： Termite is one of the destructive pests in the world， which has a wide hazard range， including housing construction， transport facilities， river dikes， etc. These hazards are not easy to be perceived， but their consequences will be often serious as soon as they are found. The existing means of control over the termite are mainly achieved by large?scale spraying， which not only has low efficiency and high cost， but also causes large?area pollution to the environment. A new?type termite detection system integrated with ZigBee and NB?IoT technologies is designed for above technical deficiencies. In the system， a creative termite detection device is applied， which can detect termites′ situation efficiently and accurately. The ZigBee?NB?IoT network architecture covers a wide range and has high cost performance， which can realize the centralized management of information and upload data to the cloud server effectively and stably. In the system， the MSP430 chip is innovatively used as the "sleeping babysitter" of the node detection to realize the synchronous sleep mechanism of the whole network， by which the power consumption can be reduced to the maximum extent， the system can monitor termite information in real time for a long time， and the staff can check the termite situation information at the detection station by means of the terminal equipment and perform the accurate killing. It not only improves the efficiency of termite control， but also reduces the environmental pollution.

Keywords： termite situation detection; system design; technology fusion; information centralized management; data upload; synchronous sleep

0? 引? 言

白蟻對于房屋建筑的危害巨大，每年由于白蟻危害造成的損失高達數十億。尤其是舊城區房屋建筑（包含古建筑）多是土木、磚石結構，通風不良、光照不足等特點極適宜白蟻繁殖。而現階段的防治手段主要是大規模盲目使用藥物來進行防治，這種方法不僅效率低下，而且因為藥物的殘毒時間長，對環境造成極大污染。

除了傳統的藥物防治技術外，現有的白蟻偵測物聯網技術還有SI4463短距離無線通信技術和長距離的LoRa技術（如SX1278），雖然二者都可以達到微安級的休眠電流，實現超低功耗，但各終端節點之間卻不能組網，所以也就無法實現全網同步休眠和喚醒。如果有任意2個終端節點同時發射數據就會造成數據擁堵而丟包，而且集中器需要24 h工作不能休眠，所以集中器必須采用市電220 V供電，還要做防雷處理，導致集中器硬件成本很高。

基于現有技術存在的問題，本文提出了一種基于ZigBee與NB?IoT技術的白蟻偵測系統，該系統是由大量偵測節點通過無線通信技術構成的自組織網絡，集成了傳感器、計算機、嵌入式、無線傳輸等技術，用來采集、處理和傳輸網絡覆蓋范圍內被測對象的信息。利用傳感器感應白蟻的存在狀態、電池電量等參數，通過ZigBee模塊和NB?IoT模塊發送數據至云端服務器。采用同步休眠機制最大程度上降低系統功耗。工作人員可以通過上位機、智能手機APP隨時查看狀況，能夠準確、實時地通報蟻情，然后再對白蟻實施“精確打擊”。這樣既提高了防治效率，又不會造成環境污染，具有極高的實用價值。

1? 系統整體架構

一個完整的白蟻偵測系統主要由多個分散式偵測節點、集中器、云端服務器以及終端設備組成。系統的結構示意圖如圖1所示。

偵測節點由ZigBee網絡中的路由器和終端組成，主要負責連接各類傳感器并采集相關數據。集中器由ZigBee協調器和NB?IoT模塊組成，二者通過串口連接，其網絡結構如圖2所示。其中，協調器是ZigBee網絡的中心，負責組網、維持網絡并接收各個偵測節點發送的數據;ZigBee協調器通過串口將集中器接收到的數據發送給NB?IoT模塊，再通過NB?IoT網絡將數據傳輸到云端服務器，實現ZigBee傳感網絡與互聯網的連接。用戶可以通過手機、電腦、平板等終端設備登錄系統，實時查看相關信息。

2? 偵測裝置設計

根據實際要求，本系統的白蟻偵測裝置由偵測節點和餌料組成。偵測節點中嵌有干簧管傳感器模塊，當白蟻啃食餌料時將觸發干簧管傳感器的狀態發生改變。同時，由于偵測裝置在工作時是埋在地下的，需要對裝置進行防水處理，必須使偵測節點處于一個封閉的環境中并與餌料隔離開來。白蟻偵測裝置模型如圖3所示。

圖中的偵測裝置埋于地下，頂部與地表平齊，圖中的“餌料”實為白蟻最喜歡啃食的白松木，白松木內部已被鑿空，并填滿了玻璃珠沙，最上部放置一個圓柱形小磁鐵。白蟻的鼻子很靈敏，可以聞到土壤里面50 m外的白松木的氣味，當白松木被白蟻啃食，內部的玻璃珠沙就會漏出來，導致頂部的磁鐵下落，進而使干簧管傳感器失去外部磁力而斷開，通過監測干簧管傳感器的通斷可以判斷是否有白蟻入侵。

玻璃珠沙和普通沙子相比有一個最大的優點，就是當處于潮濕環境中或被水淹沒時，普通沙子會相互粘連，而玻璃珠沙即使泡在水中，也會有很好的流動性，即使白蟻在白松木棒上邊啃食了一個小洞，玻璃珠沙都會漏出來，導致頂部的磁鐵下落。

圖3中頂部的電路板采用特殊工藝，用塑料外殼全密封，包括干簧管傳感器和電池一起全密封，具有很好的防水性能，平時無法更換內部電路板的電池，所以采用了一次性鋰電池，而且要求鋰電池能夠使用3～5年不更換，這就對整個電路的低功耗提出了極為苛刻的要求。

2.1? 傳感器模塊設計

干簧管，也稱舌簧管或磁簧開關，是一種磁敏的特殊開關，其結構如圖4所示。干簧管的工作原理非常簡單，2片端點處重疊的可磁化的簧片，由惰性氣體密封于一玻璃管中，兩簧片分隔的距離僅約幾微米，玻璃管中裝填有高純度的惰性氣體。在尚未操作時，2片簧片并未接觸，外加的磁場使2片簧片端點位置附近產生不同的極性，結果2片不同極性的簧片將互相吸引并閉合，干簧管作為一種機械開關，工作時不需要電源也不會產生任何形式的功耗，十分適合作為偵測裝置的傳感器。當白蟻啃食餌料后，干簧管傳感器的狀態會發生改變。

2.2? 偵測節點設計

偵測節點的主要功能是通過各類傳感器采集相關數據，并以無線傳輸的形式將數據發送給集中器。同時為了最大程度降低功耗，要求所有偵測節點均能長時間休眠并同步喚醒。其硬件結構如圖5所示。

2.2.1? 偵測節點硬件設計

偵測節點中的ZigBee模塊選用德州儀器生產的CC2530，該芯片是ZigBee片上系統解決方案，基于IEEE 802.15.4標準基礎上的低功耗個域網協議，集成了領先的RF收發器的優良性能，具有業界標準的增強型8051內核，具有低成本、近距離、自組織、低功耗、低數據傳輸率、低復雜度等特點。較藍牙、WiFi等無線技術，更適用于大范圍的無線傳感器網絡構建。

由于整個系統均采用一次性鋰電池供電，為了提高系統的工作時間，必須采用定時的工作方式。整個偵測系統中的偵測節點在數據采集和上傳工作完成后，必須同步進入休眠模式，休眠時間到后能夠同步喚醒。然而ZigBee終端、路由器的最大休眠時間只有511 s，且休眠定時器不夠精確。本設計采用MSP430F2001模塊作為ZigBee節點的“休眠保姆”。具體步驟為：由ZigBee協調器向網絡里的所有節點廣播發送一個休眠指令使所有偵測節點同時進入休眠，隨后協調器也進入休眠狀態，這樣就保證了整個網絡的所有節點幾乎在同一時間內進入休眠狀態;MSP430收到CC2530的休眠指令后立即進入休眠計時，待計時時間滿之后則向CC2530發送喚醒信號（計時過程中產生的誤差很小且每個計時節點的時間都相同），這樣就保證了所有節點的同步喚醒，所有節點連續休眠6 h的同步喚醒時間差可以控制在1 s以內。

作為“休眠保姆”的MSP430包含一個16位精簡指令集CPU、各類外設和一個靈活的時鐘系統。其體積小、價格低廉，主要特性為超低功耗架構，實時時鐘模式的電流僅為0.8 μA，能夠極大程度地延長電池壽命。

2.2.2? 偵測節點軟件設計

偵測節點由ZigBee網絡中的終端、路由器與MSP430模塊組成，主要功能是采集各類傳感器數據，將采集到的數據進行處理后通過ZigBee網絡發送給ZigBee協調器。傳輸完成后等待接收協調器發送的休眠指令，一旦接收到休眠指令，偵測節點隨即激活“休眠保姆”（MSP430模塊），設定定時時間后進入休眠模式。等待MSP430模塊定時到時，再發送復位信號給ZigBee終端，路由器節點將其喚醒。其程序流程圖如圖6所示。

3? 集中器設計

集中器由ZigBee協調器和BC26模塊組成。協調器作為網關的核心處理部分，一是具有自組網的功能，二是可以通過串口與BC26模塊相連，通過AT指令控制BC26模塊進行網絡連接、數據發送等。ZigBee協調器的硬件設計如圖7所示。

3.1? 集中器硬件設計

NB?IoT（窄帶物聯網）是IoT領域新興的技術，支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，屬于低功耗廣域網技術，具有部署靈活、窄帶、低功耗、低成本、高容量、深度覆蓋、低功耗等特點，直接獲取IP地址便可將數據傳輸到互聯網，具有直達云端的優勢。單個NB?IoT節點向運營商支付的業務費也較低。

NB?IoT模塊選用BC26模組，BC26基于聯發科MT2625芯片平臺研發，支持全球頻段，客戶只需一個模組，即可覆蓋全球需求。BC26具有超小體積，能最大限度地滿足緊湊型終端設備的需求。

集中器中選用的ZigBee模塊與MSP430模塊與偵測節點中的相同。而ZigBee網絡中的協調器由于要維持網絡，一般而言無法進入休眠，故同樣使用MSP430模塊作為“休眠保姆”。該設計中將協調器節點作為網關節點，連接ZigBee網絡與NB?IoT網絡，同時也要包含兩個異構網絡之間數據轉發的功能。CC2530與BC26之間通過串口連接，ZigBee協議由Z?Stack協議棧處理，NB?IoT協議由BC26模塊處理，2種異構網絡之間的的數據交換主要為應用層數據交換。NB?IoT網絡數據的發送及接收是通過串口發送AT指令給BC26模塊來進行控制。

3.2? 集中器軟件設計

集中器主要由ZigBee協調器、BC26和MSP430模塊組成。協調器的主要作用是組建網絡并實現與NB?IoT的對接，組建網絡成功后接收偵測節點采集的數據并通過NB?IoT模塊將數據上傳至云端服務器，ZigBee與NB?IoT模塊對接的核心問題在于數據交互，協調器需要將集中器的數據傳輸給NB?IoT模塊，并控制NB?IoT模塊將數據上傳至服務器。通常BC26模塊的初始化以及數據傳輸都是通過一系列AT指令來實現的，故只需要在協調器的應用層程序中嵌入BC26模塊的初始化及數據上傳指令即可。所有的數據傳輸完成后協調器節點廣播發送休眠指令，然后激活MSP430模塊并發送開始定時指令，之后協調器自身進入休眠模式，BC26模塊通過設置T3324定時器同步進入PSM休眠。當MSP430模塊定時結束后發送復位信號喚醒協調器，協調器被喚醒后通過PWRKEY將BC26模塊從PSM喚醒，整個集中器重新開始工作，其流程如圖8所示。

每個ZigBee節點上面都有一個MSP430模塊作為“休眠保姆”，其主要功能是確保每一個ZigBee節點都能夠同步休眠并同步喚醒，盡可能地減小系統功耗。MSP430模塊一上電就進入休眠模式，在ZigBee節點完成相應工作后被激活并開始定時，定時結束后通過給ZigBee模塊發送復位信號進行喚醒，然后自身又進入休眠。其軟件流程圖如圖9所示。

4? 系統的調試與分析

選用3個ZigBee模塊進行測試，分別作為協調器節點、路由器節點和終端節點。每一個節點都嵌入了MSP430模塊作為“休眠保姆”，其中協調器節點還與NB?IoT模塊相連接，可以通過節點上的指示燈來判斷設備的工作狀態。為了方便觀察現象，將節點的休眠時間設定為6 h，一天自動上報數據4次。將所有節點上電，LED閃爍3次代表設備已正常運行，協調器節點會將接收到的數據通過NB?IoT模塊上傳至服務器。用戶可以在Web端實時查看數據詳情，偵測節點上傳的數據主要是ZigBee節點的MAC地址、傳感器數據、電池電量、累計工作時間和開關量。其中，MAC地址用于標識偵測節點，每一個ZigBee節點的MAC地址都是獨一無二的。開關量對應干簧管傳感器的狀態，當白蟻偵測裝置被觸發（即有白蟻存在）后，開關量為00，否則為01。數據詳情如圖10所示。

5? 結? 語

本系統結合ZigBee自組網、MSP430低功耗和NB?IoT直達廣域網的優勢，設計一套用于白蟻偵測的無線傳感網絡。與現有的白蟻偵測手段相比，本系統采用新型的白蟻偵測裝置，經試驗表明具有高穩定性、低誤報率的特點;ZigBee與NB?IoT組成的異構網絡覆蓋范圍廣、連接節點多且具有較高的性價比;創新性地使用MSP430作為ZigBee節點的“休眠保姆”，實現了同步休眠、同步喚醒，解決了ZigBee協調器無法休眠的問題，最大程度上降低了系統功耗。測試結果表明，該系統運行穩定，具有成本低、覆蓋廣、功耗低、操作方便等特點，且具有較高的應用價值。

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