淺談基于6LowPan的環境數據采集系統的設計與應用

甘奧博 李鑫苗 冀志豪 李 創 劉左龍

（中國民航大學 天津 300300）

1 基于6LowPan的環境數據采集系統的設計背景

近年來，隨著人們生活質量的逐步改善，使之對生活品質有了更高的要求，同時對環境感知的敏感度也越來越高。針對傳統的環境感知的低效率，使得采取有效措施精確探測各處環境數據更有積極意義。本文特設計出可以適用于多使用背景的環境數據采集系統，該系統基于6LowPan技術，使用低能耗、大場景、高密度的cc2538芯片，通過溫濕度傳感器采集環境數據，同時將數據傳輸到服務器，再通過服務器解釋所接收到的數據，傳送到數據庫存儲，最終呈現在Web界面，極大的方便了使用者對各場景環境的監測。

2 基于6LowPan的環境數據采集系統的架構

2.1 環境數據采集系統的整體架構

環境數據采集系統主要由多組環境數據采集節點、服務器節點以及環境數據顯示平臺三部分組成。

其中，環境數據采集節點主要實現多個不同地點的環境數據采集，采集節點讀到數據后將數據簡易地顯示在LED顯示屏上，同時在傳感網里通過IPv6進行數據傳遞，傳到特定網關后，通過服務器節點的中間件來對所接收到的數據進行匯總和處理，進而將處理過的數據上傳到數據庫，最終在Web界面實現對各個傳感器所在位置的環境數據的實時處理。具體流程如圖1所示。

圖1：環境數據采集系統整體架構

2.2 環境數據采集節點的架構設計

環境數據采集節點主要由溫濕度傳感器、LED顯示屏、cc2538芯片以及若干節1.5V供電電池組成的電源模塊構成，如圖2所示。

圖2：環境數據采集節點架構

2.3 環境數據服務器節點的架構設計

環境數據服務器節點主要由cc2538芯片、網絡模塊、USB轉串口模塊和供電電源模塊組成，其中，服務器節點通過網線連接網絡模塊和路由器通網，連接如圖3所示。

圖3：環境數據服務器節點架構

3 環境數據采集系統的主要元器件選型分析

3.1 單片機的選取

采集節點和服務器節點的單片機的選取，主要考慮了編程特點、價格、串行接口數量、能耗、生存環境等方面因素，最終采用由TI公司推出的CC2538芯片，該芯片具有豐富的例程源代碼，便于開發學習和使用。且該芯片是一款集成性ARM Cortex-M3內核實現對集中網絡的高效處理的芯片，支持6LowPan、ZigBee以及其他諸如802.15.4與Ipv6等基于IP的標準。此外該芯片通過集成性引腳對引腳兼容的8K至32K RAM選項可實現最大的靈活性，對代碼運行有足夠的空間，同時該芯片對電池供電應用進行了優化，符合本系統對低能耗的要求。

3.2 溫濕度傳感器的選取

DHT11數字溫濕度傳感器，是一款含有已校準信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感器傳感技術，確保產品具有優質的可靠性和長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC測溫元件，并與一個高性能8為單片機相連接。因此該產品抗干擾能力強、性價比高且體積小，符合本系統的要求。

不過該傳感器的濕度調控范圍一般在0-90%RH，其中濕度精度為±其中濕度，溫度在0-50℃范圍內，精度為±圍內；采集節點焊接時應注意與電路板之間留一條縫隙，以防溫度影響，手動焊接時在最高300℃的溫度條件下接觸時間須少于3秒；平時避免紫外線暴曬，以免影響數據準確性。

3.3 網絡模塊的選取

以太網是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準，是應用最廣泛的局域網技術。它可以在半雙工或全雙工兩種模式下工作，且采用了帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問機制。ENC28J60是帶有行業標準串行外設接口的獨立以太網控制器，它能夠兼容IEE802.3協議的以太網控制器，且數據沖突時可編程自動重發，接口速度快。該網絡模塊的工作電壓范圍為3.14至3.45V，溫度范圍為0℃至70℃，各方面符合本系統對網絡連接的要求。

該模塊用于服務器節點，通過ENC28J60網絡模塊實現單片機的以太網功能，從而獲取網絡IP地址后可供采集節點向該IP地址即服務器節點傳輸數據。

4 環境數據采集系統的軟件設計

該系統數據采集部分主要在虛擬機 Contiki操作系統環境下進行，它適用于嵌入式系統和無線傳感器網絡，通過在對例程源代碼的學習基礎上進行數據采集節點的開發與實現。服務器端通過串口調試助手來進行顯示下機位發來的數據從而便于調試。由下機位通過串口將數據上傳到PC，存入數據庫中，本系統數據庫使用Navicat軟件。最終Web界面的數據呈現通過MyEclipse軟件搭載Spring框架，PC最終將數據庫的數據呈現在可視化的界面，可供用戶清楚環境數據的變化與狀態。

5 環境數據采集系統的測試

5.1 數據傳輸距離測試

無線網信號的傳輸質量、節點之間的距離節點工作環境的多樣性都影響著數據傳輸質量，選取合適的傳輸位置與節點間距離，能夠有效保證無線網絡中數據傳輸過程的有效性，提高環境數據采集系統的工作效率。為探究數據采集節點和服務器節點在無線網絡中的各種環境下的最大傳輸距離，在校園內無遮擋和有遮擋的條件下進行了對比試驗與探究。實驗過程中采用紅外測距儀進行測距，在實驗環境為室外15攝氏度左右、無風無雨且兩節點之間墻壁等障礙物無遮擋的情況下，數據穩定傳輸的最大有效距離為69.6米；在同樣的室外環境條件下，將服務器節點置于宿舍陽臺，數據采集節點置于陽臺外同方向室外，在兩節點之間以墻壁作為障礙物，數據穩定傳輸的最大有效距離為18.7米。

5.2 系統持續性測試

節點工作環境的多樣性無法保證每一個節點都能無限通過電源適配器供電且不易于安置，因此選取合適的電池組為采集節點和服務器節點供電，可以有效縮小節點的體積，便于移動與安置。而電池組的工作持續時間也極大影響了該系統的工作效率和人力資源。實驗過程中采用五節1.5V芯電池，每分鐘發送一次數據且帶屏幕顯示的情況下，能持續工作4天零3小時左右，能夠保證該系統工作的需要。

6 環境數據采集系統的現實應用

該系統應用范圍廣泛，應用場景多樣，可以大幅度節約人力、物力，提高環境監測效率。本系統只添加了溫濕度傳感器，除此之外，還可以添加二氧化碳濃度傳感器、壓力傳感器等，結合不同的數據傳感器，可以應用于不同場景，實現不同的功能。可以用于校園，置于多個采集節點放在教室，用來監測教室溫濕度，比如夏季教室溫度過低時，教學樓工作人員可及時調控教室空調溫度以防學生感冒；可以用于智能家居，將結合多個傳感器的采集節點置于空巢老人家中，通過監測室內氣體濃度變化來判斷老人有無異常，以便家人實現對老人的“智能看護”；可以用于種植蔬菜、水果等的大棚，從生長階段到采摘存儲階段都實現對環境數據的智能監控，實時報警，從而提高果蔬品質。諸如此類，環境數據采集系統可以應用于各種場景且具有成本低、高效率的特點，值得廣泛使用。

7 結束語

本系統應用可以根據不同情境，結合不同類型的傳感器實現多功能應用。不過本系統在實現過程中也有諸多需要改進與再考量之處。無線電的傳輸可能偶會發生不穩定的情況，還需要進一步尋找解決方案改善提高；電路板的插線接口較為脆弱，需要仔細存放，后期可以進行電路板連接改良，保證電路板插線穩定不易斷；關于供電電池的選取后期也可再進行多次實驗，選取可保證不同種類數據傳感器最大工作效能的電池組。此外，還需要進一步對所采集的數據進行實時呈現與應用，提高系統的實用性。