ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

0 引言

2008年5月12日，8級強(qiáng)震襲擊了中國西南部，遇難69227人，受傷374643人，失蹤17923人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)845l億元；2009年8月2日臺風(fēng)莫拉克登陸，造成財產(chǎn)損失至少34億美元。上述這些駭人的數(shù)據(jù)足以提醒人們迫切需要對環(huán)境進(jìn)行精確、實時監(jiān)控，以降低火災(zāi)、自然災(zāi)害等對人類造成的生命財產(chǎn)損失。但是，傳統(tǒng)的有線方式布線難度大、成本高且維護(hù)困難，因而需要另一種體系結(jié)構(gòu)來對無人職守的環(huán)境進(jìn)行實時連續(xù)地監(jiān)控，從而讓監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)擺脫電纜布線和人工堅守的束縛。

1 Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點可通過飛機(jī)布撒，人工布置等方式，以一定的間隔距離分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)。這些節(jié)點再通過自組織方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，并以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中特定的信息，從而實現(xiàn)對任意地點信息在任意時間的采集、處理和分析。這種以自組織形式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，可通過多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回中心控制節(jié)點，最后將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程控制中心來進(jìn)行集中處理。

目前迫切需要一種符合低端、面向控制、應(yīng)用簡單的專用標(biāo)準(zhǔn)，而Zigbee的出現(xiàn)正好解決了這一問題。Zigbee有著高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點。這些優(yōu)點使得Zigbee和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。目前，基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)已得到越來越多的關(guān)注。

ZigBee是基于IEEE802．15．4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的一種短距離、低功耗、低成本的無線組網(wǎng)技術(shù)。ZigBee所使用的頻段是免費開放的，分別為2．4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)，傳輸范圍依賴于輸出功率和信道環(huán)境，一般介于10米到100米之間，并支持無限擴(kuò)展。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，并具有存儲容量大、計算能力強(qiáng)等特點，其主要任務(wù)是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息和不斷地接收信息；路由器的功能主要是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)、多跳路由和協(xié)助自己由電池供電的子終端設(shè)備的通訊；終端設(shè)備沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任?？梢运呋蛘邌拘?，因此，它可作為一個電池供電設(shè)備。

本文提出的無線傳感器解決方案的體系結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點、中心控制節(jié)點和環(huán)境信息監(jiān)控中心三部分組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示。基于實時性、便捷性和運行成本的考慮，本系統(tǒng)采用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和上傳。傳感器節(jié)點則通過人工布置或飛機(jī)分撒等方式分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，通過自組織形式形成無線多跳網(wǎng)絡(luò)，在采集環(huán)境數(shù)據(jù)后，可直接或經(jīng)路由器間接地將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到中心控制節(jié)點，中心控制節(jié)點則通過串口將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心計算機(jī)上進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)分析、存儲和預(yù)警。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是整個系統(tǒng)的核心，也是本設(shè)計的重點。它主要由一個中心控制節(jié)點和多個傳感器節(jié)點構(gòu)成，主要功能是利用傳感器技術(shù)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，同時采用ZigBee技術(shù)形成無線多跳網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。

2．1 無線通信模塊選型

目前市場上針對ZigBee標(biāo)準(zhǔn)研制的芯片已經(jīng)有很多種，比較典型的產(chǎn)品有TI公司的CC2430、Helicomm公司的IP-Link系列和Freeseale公司的MCl3192／3等。綜合考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、節(jié)能性和傳輸頻率的需求，本系統(tǒng)的無線通信模塊采用TI公司針對低系統(tǒng)成本、低功耗方面發(fā)布的射頻芯片CC2430來設(shè)計。圖2所示是CC2430的應(yīng)用設(shè)計電路。

CC2430是真正的系統(tǒng)芯片CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2．4 GHz ISM波段應(yīng)用對低成本、低功耗的要求。CC2430在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位8051MCU，并具有32／64／128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個定時器、AESl28協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振、休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I／O引腳。

對于環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)來說。一方面需要對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時、精確地采集，整體了解監(jiān)測區(qū)域的溫度、濕度等參數(shù)分布狀況，并進(jìn)行必要的預(yù)測；另一方面，當(dāng)某一參數(shù)值出現(xiàn)異常時，還要求網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能及時報警，以預(yù)防事故發(fā)生。野外環(huán)境的各種參數(shù)變化比較緩慢，但是從緩慢的變化中可以看出變化的趨勢，因而需要對環(huán)境數(shù)據(jù)做周期性的采集并向上報告，以便管理人員根據(jù)數(shù)據(jù)的變化對可能出現(xiàn)的危險提前做出預(yù)測并采取相應(yīng)的處理措施，從而盡可能避免災(zāi)難的發(fā)生。但考慮到節(jié)點的能耗要求，節(jié)點不應(yīng)該一直不停歇的對監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，因此，本系統(tǒng)傳感器節(jié)點的設(shè)計采用電池供電，中心控制節(jié)點采用穩(wěn)壓電源供電。中心控制節(jié)點與監(jiān)控中心通過串口相連。

2．2 無線傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感器節(jié)點是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，它主要由濕度、溫度、煙塵等多路傳感器采集模塊、信號調(diào)理模塊和無線收發(fā)模塊組成，負(fù)責(zé)采集和上傳監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)和接收環(huán)境監(jiān)控中心發(fā)送的模式控制命令。為滿足野外無人值守的需求，設(shè)計可采用電池供電方式。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

中心控制節(jié)點負(fù)責(zé)啟動整個網(wǎng)絡(luò)和維護(hù)節(jié)點，采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳來的環(huán)境參數(shù)，并通過串口發(fā)送到監(jiān)控中心計算機(jī)上，同時偵聽串口接收中斷，用以向傳感器節(jié)點發(fā)送模式控制指令，因此，在中心控制節(jié)點的硬件平臺上可擴(kuò)展使用RS232串口?？紤]到功耗等問題，電源系統(tǒng)的設(shè)計采用穩(wěn)壓電源供電，這樣電量較為充足，能夠滿足系統(tǒng)需求。除了上述特殊需求外，中心控制節(jié)點的結(jié)構(gòu)設(shè)計與傳感器節(jié)點的不同之處是其不包含傳感器組和信號調(diào)理模塊。

3 軟件程序設(shè)計

3．1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)幀

傳感器節(jié)點、中心控制節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸必須遵循一定的數(shù)據(jù)格式，才能保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性和有效性。一種有效的數(shù)據(jù)幀格式對于通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸能起到事半功倍的效果。數(shù)據(jù)幀的定義應(yīng)該滿足兩個條件：一是要具有很好的擴(kuò)展性，以方便系統(tǒng)擴(kuò)展其他服務(wù)；二是要盡量簡潔，以減少通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量，使數(shù)據(jù)通信更通暢。

當(dāng)傳感器節(jié)點向中心控制節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須讓中心控制節(jié)點知道自己上傳數(shù)據(jù)的類型以及自己的設(shè)備特征，這樣，當(dāng)出現(xiàn)異常時，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)就可以報告出現(xiàn)異常的區(qū)域以及異常的特征?？紤]到這個需求，在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就必須按照網(wǎng)絡(luò)約定的格式進(jìn)行存儲。圖4所示是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)幀的格式定義。

其中OXAAH為幀頭，是一個數(shù)據(jù)幀開始的標(biāo)志；

0XBBH為幀尾，是一個數(shù)據(jù)幀結(jié)束的標(biāo)志；

校驗和用于表示通過校驗位來檢驗數(shù)據(jù)幀在傳輸過程中是不是發(fā)生了數(shù)據(jù)位的改變，通常從幀類型到數(shù)據(jù)域尾進(jìn)行加和校驗；

通過幀類型域可以判斷此數(shù)據(jù)幀所攜帶的是哪一種數(shù)據(jù)。為了滿足系統(tǒng)需求，一般可設(shè)置周期采集數(shù)據(jù)和中斷數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)類型。其中“0X01H”表示中斷數(shù)據(jù)， “0X02H”表示周期采集數(shù)據(jù)。

利用設(shè)備標(biāo)識，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點在此域中寫入自己的短地址的低字節(jié)作為自己的標(biāo)志，上級網(wǎng)絡(luò)根據(jù)這個標(biāo)志就可以知道是哪個設(shè)備的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)域是數(shù)據(jù)幀的主要部分。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)域包括系統(tǒng)定義的幾種參數(shù)測量值(3字節(jié)ASII碼)。在系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)幀格式中，各個參數(shù)的位置是固定不變的，順序依次為溫度值、濕度值、節(jié)點電池電壓值，因此，數(shù)據(jù)域的長度為固定的9字節(jié)。存放測量值的數(shù)據(jù)域每次都在傳感器點采集數(shù)據(jù)前都將民初始化為全0，這樣，如果某個參數(shù)沒有傳遞過來自己的測量值，上級設(shè)備就可以根據(jù)某段數(shù)據(jù)是否為全0來判斷數(shù)據(jù)是否成功采集。

3．2 中心控制節(jié)點程序設(shè)計

中心控制節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心交互的關(guān)鍵部分。它作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，可建立一個新的ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，以負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符的選取，并允許加入網(wǎng)絡(luò)，實施節(jié)點綁定；接收傳感器節(jié)點的環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理；同時，還通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。因此，中心控制節(jié)點應(yīng)該一直處于活躍的工作狀態(tài)，時刻監(jiān)聽無線數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)，其中心控制節(jié)點的設(shè)計流程如圖5所示。

中心控制節(jié)點在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)著協(xié)調(diào)器的角色，它應(yīng)該具有建立一個新的網(wǎng)絡(luò)并允許其他節(jié)點加入的能力；同時，中心控制節(jié)點還要實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心計算機(jī)的數(shù)據(jù)通信功能。中心控制節(jié)點工作時，首先用電源開關(guān)S1啟動監(jiān)測站網(wǎng)關(guān)，以開始建立一個新的網(wǎng)絡(luò)過程，并進(jìn)行串口初始化。監(jiān)測站網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序應(yīng)通過應(yīng)用層接口與協(xié)議棧連接，從而建立網(wǎng)絡(luò)、允許加入網(wǎng)絡(luò)和綁定等，而且這些工作應(yīng)在協(xié)議棧內(nèi)自動完成。

初始化完畢后，中心控制節(jié)點即進(jìn)入一個無限循環(huán)。在此循環(huán)中，中心控制節(jié)點首先判斷是否有串口中斷指令，然后響應(yīng)指令，并將指令廣播發(fā)送到傳感器節(jié)點；若無串口中斷數(shù)據(jù)，則偵聽空中無線數(shù)據(jù)，若偵聽到無線數(shù)據(jù)經(jīng)加和校驗判斷為有效數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到監(jiān)控中心。

3．3 傳感器節(jié)點程序設(shè)計

考慮到節(jié)點對能耗的要求，節(jié)點不應(yīng)該一直不停歇的對監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，因此，本系統(tǒng)為傳感器節(jié)點設(shè)計了周期采集和睡眠兩種工作模式。在周期采集模式下，網(wǎng)絡(luò)中采集數(shù)據(jù)的節(jié)點將按照設(shè)定的時間間隔和循環(huán)采集次數(shù)對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和上傳，當(dāng)采集發(fā)送指定次數(shù)后，傳感器節(jié)點自動進(jìn)入睡眠模式。傳感器節(jié)點的工作流程如圖6所示。

傳感器節(jié)點初始化工作完成后，即可運行ZStack協(xié)議棧，以自動完成加入網(wǎng)絡(luò)、建立鄰居表等底層操作。應(yīng)用層在收到成功入網(wǎng)的事件消息后，將設(shè)置睡眠定時器并開啟全局中斷，此后節(jié)點將進(jìn)入睡眠狀態(tài)以實現(xiàn)低功耗工作。在睡眠狀態(tài)下，傳感器節(jié)點的大部分內(nèi)部電路掉電關(guān)閉，只有上電復(fù)位、外部中斷、32．768 kHz睡眠時鐘處于活躍狀態(tài)，但此時傳感器節(jié)點能夠時刻偵聽空中的無線數(shù)據(jù)。在睡眠模式下，若傳感器節(jié)點偵聽到無線數(shù)據(jù)，則對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。若為有效的周期采集命令，則喚醒傳感器節(jié)點進(jìn)入周期采集工作模式，同時設(shè)置周期采集時間間隔Tc和采集次數(shù)N。開始循環(huán)采集上傳環(huán)境數(shù)據(jù)。當(dāng)采集發(fā)送到指定次數(shù)時，傳感器節(jié)點又自動進(jìn)入睡眠偵聽模式。

若傳感器節(jié)點未偵聽到無線數(shù)據(jù)，則判斷睡眠定時器是否溢出，若睡眠定時器未溢出，則繼續(xù)睡眠偵聽；反之，定時器溢出中斷觸發(fā)一次環(huán)境數(shù)據(jù)采集過程，并判斷環(huán)境參數(shù)是否超出閾值，若超出閾值，則啟動報警電路，并將異常數(shù)據(jù)打包發(fā)送到監(jiān)測站網(wǎng)關(guān)；如果采集到的環(huán)境參數(shù)在正常范圍內(nèi)，則丟棄該數(shù)據(jù)，節(jié)點繼續(xù)睡眠偵聽。

4 結(jié)束語

本文提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)、底層硬件和應(yīng)用程序軟件的設(shè)計方法。該系統(tǒng)經(jīng)連接測試可組成多層分簇?zé)o線網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，并可達(dá)到預(yù)期效果，同時系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應(yīng)速度等性能都可滿足實際需求。此外，本系統(tǒng)還具有良好的擴(kuò)展性，可以根據(jù)具體要求方便地在數(shù)據(jù)采集模塊上進(jìn)行相應(yīng)傳感器的擴(kuò)充以完成特定數(shù)據(jù)采集的需要。Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其組網(wǎng)靈活、節(jié)點耗電低、可自動恢復(fù)等強(qiáng)大功能，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)絹碓綇V泛。