基于ZigBee技術(shù)的公共實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

李志博

(天津理工大學(xué)，基礎(chǔ)實驗實訓(xùn)中心, 天津 300350)

0 引言

當(dāng)前，公共實驗室與實驗儀器數(shù)量顯著提升，為保障公共實驗室的穩(wěn)定運(yùn)行以及實驗室內(nèi)實驗儀器的安全性[1]，公共實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究成為保障公共實驗室安全與管理的熱點課題[2]。當(dāng)前普遍使用的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要有基于ARM平臺的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[3]和基于云數(shù)據(jù)處理的分布式光纖應(yīng)變遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)[4]。這些系統(tǒng)主要通過有線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建傳感器組網(wǎng)進(jìn)行環(huán)境的感測，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。有線網(wǎng)絡(luò)的主要優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)鏈路的高穩(wěn)定性，但有線網(wǎng)絡(luò)需進(jìn)行布線與安裝等環(huán)節(jié)，布線費(fèi)用昂貴、維修困難、難于擴(kuò)展和移動，甚至某些情況下無法布線成功，且系統(tǒng)的抗毀性較差，一旦主控芯片出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)面臨崩潰。針對這一問題，設(shè)計基于ZigBee技術(shù)的公共實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用ZigBee技術(shù)有效地解決組網(wǎng)移動性限制等問題，同時利用ZigBee技術(shù)設(shè)計公共實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用合理的布局還能夠防止出現(xiàn)監(jiān)控盲區(qū)[5]，傳輸距離遠(yuǎn)，功耗低，且使用ZigBee技術(shù)單次傳輸數(shù)據(jù)量較小，信號的收發(fā)時間短，效率較高。

1 公共實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

ZigBee技術(shù)是一種無線自組網(wǎng)技術(shù)，能夠按照用戶核心需求的差異構(gòu)建具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)、樹簇狀網(wǎng)和對等網(wǎng)[6]。其中對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)屬高級別的冗余性網(wǎng)絡(luò)，其主要優(yōu)勢體現(xiàn)在其自主修復(fù)功能方面[7]。對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)內(nèi)任一設(shè)備均能夠同射頻范圍內(nèi)其他設(shè)備進(jìn)行通信連接，經(jīng)由路由中繼實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，以此擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。基于此，基于ZigBee技術(shù)的公共實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計過程中，從不同公共實驗室差異性角度出發(fā)，采用對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，不僅可改善網(wǎng)絡(luò)消耗顯著的缺陷，且能夠解決部分監(jiān)控點通信距離過長導(dǎo)致的通信盲區(qū)問題。圖1所示為對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中，白色方塊、灰色方塊和黑色方塊分別表示ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹獙Φ染W(wǎng)

1.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

采用圖1所示的對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)設(shè)計基于ZigBee技術(shù)的公共實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其由ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊、嵌入式網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器共同組成。此ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊選用CC2530芯片作為微處理器，該處理器能夠?qū)崿F(xiàn)150m范圍內(nèi)點對點的通信連接[8]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊內(nèi)包含數(shù)量不等的ZigBee終端節(jié)點和一個ZigBee協(xié)調(diào)器，前者的主要功能是采集溫度、濕度、光照、煙霧、電力、紅外等傳感器數(shù)據(jù)，并控制相關(guān)聯(lián)動設(shè)備進(jìn)行聲光報警與電源開關(guān)等操作[9]；后者的主要功能是匯聚ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，利用RS-232接口將數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式網(wǎng)關(guān)內(nèi)，并將網(wǎng)關(guān)的控制命令傳輸至不同ZigBee終端節(jié)點內(nèi)。

嵌入式網(wǎng)關(guān)采用Cortex-A8微處理器，主要功能是實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)間的數(shù)據(jù)交換，采集監(jiān)控視頻，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合與請求仲裁等[10]。

嵌入式網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控器相連，將獲取的監(jiān)控信息傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控器內(nèi)，利用服務(wù)管理系統(tǒng)對監(jiān)控信息進(jìn)行存儲與分析處理。當(dāng)處理結(jié)果顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)與以往相比存在明顯異常時，可利用聲光報警、手機(jī)短信與電子郵件等方式向相關(guān)人員發(fā)生警報。

1.3 監(jiān)控報警流程設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計的主要目的是對公共實驗室的環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，對監(jiān)控數(shù)據(jù)異常波動進(jìn)行報警。以Z-STACK協(xié)議棧為基礎(chǔ)設(shè)計系統(tǒng)報警程序[11]，通過OSAL(Operating System Abstraction Layer，操作系統(tǒng)抽象層)操作系統(tǒng)實現(xiàn)不同類型時間的響應(yīng)。系統(tǒng)運(yùn)行過程中ZigBee環(huán)境感測節(jié)點與防盜視頻監(jiān)控信息處理流程如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖3 ZigBee節(jié)點與防盜信息報警流程

圖3內(nèi)，根據(jù)周期事件觸發(fā)節(jié)點方式[12]，實現(xiàn)ZigBee環(huán)境感測節(jié)點采集公共實驗室環(huán)境信息流程中信息的采集、判斷與事件標(biāo)志位的設(shè)定；信息處理流程的主要功能是接收事件標(biāo)志位判斷結(jié)果與ZigBee網(wǎng)絡(luò)指令數(shù)據(jù)，同時依照接收的信息實現(xiàn)節(jié)點動作響應(yīng)。

1.4 基于測距的定位技術(shù)

圖3所示報警流程中設(shè)置事件標(biāo)志位所采用的是基于測距的定位技術(shù)，該技術(shù)根據(jù)測量與判斷未知節(jié)點同已知節(jié)點間的距離，依照集合關(guān)系確定節(jié)點相對位置。該技術(shù)的核心在于測距[13]，普遍采用測距方法有接收信息強(qiáng)度指示法、信號到達(dá)時間差法和信號往返時間法。

(1) 接收信號強(qiáng)度指示法是基于已知發(fā)射節(jié)點發(fā)射信號強(qiáng)度，根據(jù)接收節(jié)點接收的信號強(qiáng)度確定信號在傳輸過程中的損耗；基于信號傳播模型，通過信號損耗與距離之間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行定位。該方法的對數(shù)——常態(tài)模型為

(1)

式中，PL(d)和PL(d0)分別表示距離發(fā)射節(jié)點d處的路徑損耗和經(jīng)過距離d0后的路徑損耗，n和Xσ分別表示路徑損耗指數(shù)和與均值為0的噪聲。基于式(1)依照路徑損耗確定距離d。

(2) 信號到達(dá)時間差法主要是發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射2種傳播速度有所差異的無線信號，接收節(jié)點依照各信號到達(dá)時間差與各信號傳播速度能夠確定發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點的距離d[14]。發(fā)射節(jié)點發(fā)射2種無線信號的時間用T0描述，接收節(jié)點接收各信號的時間分別用T1和T2描述，用V1和V2分別表示2種信號的傳播速度，則下式可描述距離d：

(2)

信號到達(dá)時間差法的測距精度較高，且能夠改善需要精確時間同步的問題，在計算過程中較為簡易。但其同樣具有傳感器接收信號時需配備額外硬件的缺陷，不僅提升的系統(tǒng)成本還提升了系統(tǒng)的能耗。

(3) 利用信號往返時間法進(jìn)行測距主要是基于不同時鐘域內(nèi)的發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點，經(jīng)由確定往返時間、扣除處理延時等過程確定發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點間的距離，公式描述如下：

(3)

式中，T0、T3和T1、T2分別表示發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點的時鐘域。

在系統(tǒng)實際定位過程中，有針對性的在上述3種測距算法中選擇測距算法，能夠提升系統(tǒng)測量精度。在確定發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點間的距離后，通過三邊定位與多邊定位算法進(jìn)行節(jié)點定位。

三邊定位技術(shù)是根據(jù)3個已知的參考節(jié)點坐標(biāo)以及這3個節(jié)點與未知節(jié)點的距離，計算位置界定坐標(biāo)的過程[15]。用A(x1,y2)、B(x2,y2)、C(x3,y3)和N(x,y)分別表示3個參考節(jié)點的坐標(biāo)和未知節(jié)點坐標(biāo)，用r1、r2、r3分別表示3個參考節(jié)點和未知節(jié)點間的距離，則根據(jù)式(4)能夠確定未知節(jié)點的坐標(biāo)：

(4)

式中，參考節(jié)點坐標(biāo)(xi,yi)與距離ri能夠確定3個圓的唯一相交點，即未知節(jié)點坐標(biāo)。式(5)中3個圓無法相交于唯一點，因此可利用多邊定位的極大似然估計法確定未知節(jié)點坐標(biāo)。依照多邊定位判斷子X=A-1b，能夠確定未知節(jié)點坐標(biāo)為

(5)

以三邊定位為基礎(chǔ)的多變定位算法能夠最大限度上利用未知節(jié)點獲取的參考節(jié)點坐標(biāo)確定其自身位置坐標(biāo)。用(x1,y1)、(x2,y2)、……、(xn,yn)表示參考節(jié)點A1、A2、……、An的位置坐標(biāo)，r1、r2、……、rn表示位置幾點到不同參考節(jié)點的距離，則可得到：

(6)

對式(6)進(jìn)行優(yōu)化，能夠得到式(7)：

(7)

將式(7)轉(zhuǎn)換為線程方程形式AX=b，其中：

(8)

2 應(yīng)用測試

實驗為驗證本文所設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的公共實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中的應(yīng)用性能，選取我國某高校化學(xué)系碩士研究公共實驗室為應(yīng)用對象，在遠(yuǎn)離監(jiān)控對象的辦公樓內(nèi)搭建本文系統(tǒng)后，利用本文系統(tǒng)對應(yīng)用對象進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用測試，測試結(jié)果如下。

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)感測分析

網(wǎng)絡(luò)感測分析的主要內(nèi)容是在模擬應(yīng)用對象內(nèi)部各項監(jiān)控指標(biāo)不同出現(xiàn)異常的條件下，測試本文系統(tǒng)響應(yīng)情況。網(wǎng)絡(luò)感測過程中，需人為地將應(yīng)用對象內(nèi)各類監(jiān)控指標(biāo)參數(shù)調(diào)整到預(yù)警閾值(溫度預(yù)警閾值為40 ℃、電流預(yù)警閾值為32 A、紅外檢測分為有人與無人2種情況，濕度預(yù)警閾值為15%)以上，觀測本文系統(tǒng)顯示的信息與相應(yīng)響應(yīng)情況，結(jié)果如圖4所示。分析圖4得到，本文系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點感測到應(yīng)用對象內(nèi)部各項監(jiān)測指標(biāo)產(chǎn)生變化，各節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)小幅高于設(shè)定預(yù)警閾值(紅外檢測節(jié)點顯示有人)時，能夠利用網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)調(diào)信息。同時，針對除紅外檢測節(jié)點外其它節(jié)點能夠進(jìn)行切斷供應(yīng)電源燈操作與控制。以上分析結(jié)果說明本文系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)感測精度較高，滿足公共實驗室安全監(jiān)控的智能化與高精度監(jiān)控需求。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸誤差分析

為測試本文系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸性能，利用SmartRF Studio應(yīng)用程序測試本文系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)性能，測試環(huán)境分別設(shè)置為無障礙和有障礙2種，在設(shè)定好不同測試環(huán)境中發(fā)送節(jié)點的信道頻率、發(fā)射功率以及發(fā)射數(shù)據(jù)包長度后進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖5所示。分析圖5(a)得到，在無障礙條件下，本文系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸過程中，接收功率損耗最高可達(dá)-38 dBm左右；誤碼率在測試距離為15的條件下基本可忽略，在測試距離為25的條件下，基本控制在2%以內(nèi)。分析圖5(b)得到，在有障礙條件下，本文系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸過程中，接收功率損耗基本控制在-30 dBm～-45 dBm之間；誤碼率低于3.5%。圖5內(nèi)數(shù)據(jù)顯示，本文系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸性能完全能夠滿足公共實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控需求。

圖4 網(wǎng)絡(luò)感測結(jié)果

(a) 無障礙

(b) 有障礙

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性分析

實驗為驗證本文系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)對應(yīng)用對象進(jìn)行監(jiān)控，在無障礙實驗環(huán)境下，記錄不同數(shù)據(jù)量條件下系統(tǒng)的運(yùn)行中斷概率，結(jié)果如圖6所示。由圖6能夠得到，在監(jiān)控數(shù)據(jù)量低于15 GB時，本文系統(tǒng)平均中斷概低于0.02%。隨著監(jiān)控數(shù)據(jù)量推升，本文系統(tǒng)的平均中斷概率也逐漸提升。在監(jiān)控數(shù)據(jù)量達(dá)到30 GB時，本文系統(tǒng)的平均中斷概率低于0.05%。實驗數(shù)據(jù)說明本文系統(tǒng)平均中斷概率曲線增長變化較平緩，其他2種系統(tǒng)的運(yùn)行中斷概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本文系統(tǒng)，說明本文系統(tǒng)對應(yīng)用對象監(jiān)控時具有較好穩(wěn)定性。

2.4 系統(tǒng)運(yùn)行時延分析

為驗證本文系統(tǒng)的實時性，在無障礙實驗環(huán)境下，記錄不同系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的時延，結(jié)果如圖7所示。

圖6 平均中斷概率測試結(jié)果

圖7 數(shù)據(jù)傳輸時延結(jié)果對比

由圖7可知，本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸時延隨著數(shù)據(jù)量增加也有所增多，但與其他系統(tǒng)相比，時延較少，保持在170 ms內(nèi)，且呈現(xiàn)較平穩(wěn)的趨勢，具有較好的實時性。

3 總結(jié)

本文設(shè)計基于ZigBee技術(shù)的公共實驗室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用ZigBee技術(shù)設(shè)計無線傳感器組網(wǎng)，實現(xiàn)公共實驗室溫度、濕度、電力等安全因素的實時監(jiān)控，并利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)系統(tǒng)與管理人員的遠(yuǎn)程交互。應(yīng)用測試結(jié)果顯示本文系統(tǒng)具有較高的網(wǎng)絡(luò)感測與數(shù)據(jù)傳輸精度。在系統(tǒng)后續(xù)優(yōu)化過程中，將構(gòu)建一個專業(yè)數(shù)據(jù)庫用于監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲與讀取，并在本文系統(tǒng)嵌入式網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器內(nèi)分別加設(shè)Web服務(wù)器和視頻服務(wù)器，經(jīng)由Web的形式為用戶提供與系統(tǒng)的交互操作界面，提升系統(tǒng)友好度。