基于ZigBee和WiFi相結合的樓宇監(jiān)測系統(tǒng)(

摘 要： ZigBee和WiFi各自具有明顯的特點，并且許多特性具有互補性，將二者相結合具有很好的應用前景。提出了一種基于ZigBee 技術和WiFi技術相結合的樓宇監(jiān)測體系結構； 研究了解決傳感數(shù)據(jù)采集、坐標系統(tǒng)的建立、機器人的控制等關鍵技術的方法； 實現(xiàn)了一種簡單、易于實現(xiàn)、高效的基于能量均衡的分簇多跳路由算法，能夠較好的提高傳感器網(wǎng)絡的生存期；實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)，并得到了實際應用。

　　樓宇監(jiān)測是樓宇智能化的重要組成部分，主要是針對樓宇出入口、內(nèi)部過道以及一些重要場所進行監(jiān)測，特別是在無人值守的情況下。能夠自動監(jiān)測人員進入樓宇和重要場所情況。在必要情況下，能夠采集進入這些場所人員的圖像、聲音等信息，自動報警。樓宇監(jiān)測系統(tǒng)要求無人值守、網(wǎng)絡化、便于操作和管理、系統(tǒng)成本低廉、能夠自動報警并且自動收集到相關的信息?，F(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)多數(shù)通過有線方式進行數(shù)據(jù)傳輸，成本普遍比較高，通常高達幾萬元甚至幾十萬元，且維護困難，擴展性差。

　　ZigBee 技術（ 也稱之為802.15.4 標準）是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、高容量的無線傳感網(wǎng)絡技術，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術，ZigBee技術是最低功耗和成本的技術。而與ZigBee 技術相反，WiFi（ Wireless Fidelity, 也稱之為802.11 標準） 是一種遠距離、復雜度較高、高功耗、高數(shù)據(jù)速率（達54Mbps）、高成本的無線網(wǎng)絡技術。目前在無線局域網(wǎng)中得到了較為廣泛的應用，十分便于接入Internet.

　　可見基于ZigBee 技術的無線傳感器網(wǎng)絡具有可快速部署、隱蔽性強、成本低、無人值守等優(yōu)點，十分適合于樓宇監(jiān)測的應用。但是，由于Zig-Bee 技術是一種低數(shù)據(jù)速率的無線傳輸技術，它一般傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，而在樓宇監(jiān)測系統(tǒng)中，除了監(jiān)測是否有人員進入樓宇和重要場所之外，還需要采集和傳輸數(shù)據(jù)量較大的圖像、聲音等信息。這對于ZigBee 技術是個難點，很難完成，但是對于WiFi 則易如反掌。因此，為了滿足樓宇監(jiān)測系統(tǒng)的具體需要，我們可以將ZigBee 技術和WiFi 技術相結合，構建一個技術ZigBee 和WiFi 相結合的樓宇監(jiān)測系統(tǒng)。利用ZigBee 技術組建無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡，監(jiān)測和報警人員進入情況，傳輸小數(shù)據(jù)量的監(jiān)測活動信息； 利用WiFi 技術組建無線監(jiān)測局域網(wǎng)絡，根據(jù)無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡監(jiān)測的情況采集相關的圖像或聲音信息，傳輸大數(shù)據(jù)量的監(jiān)測活動信息。

1 監(jiān)測系統(tǒng)體系結構

　　根據(jù)上述對樓宇監(jiān)測系統(tǒng)的要求以及ZigBee技術和WiFi 技術的特點分析，提出了一種基于ZigBee 技術和WiFi 技術相結合的樓宇監(jiān)測系統(tǒng)，其體系結構如圖1 所示。樓宇某層的網(wǎng)絡布局如圖2 所示，其中O（ 0, 0） 表示坐標原點。

圖1 樓宇監(jiān)測體系結構

圖2 樓宇某層網(wǎng)絡布局圖

　　本系統(tǒng)由4個部分組成：①基于ZigBee 技術的無線傳感器網(wǎng)絡子系統(tǒng)；②基于WiFi 技術的機器人子系統(tǒng)；③基于WiFi 技術的攝像監(jiān)視子系統(tǒng)； ④監(jiān)控中心子系統(tǒng)。

　　其中，基于ZigBee 技術的無線傳感器網(wǎng)絡子系統(tǒng)由若干個紅外傳感檢測器（IR） 、音頻傳感檢測器、匯集節(jié)點Mo te 和網(wǎng)關T mo te 組成。IR 被安裝到樓宇進出口和重要場所，每臨近的5 個檢測器匯集到一個匯集節(jié)點Mote.匯集節(jié)點采用由美國克爾斯博科技（ CrossBow ） 公司開發(fā)和生產(chǎn)的無線傳感設備Mote, 該節(jié)點由處理器和RF 芯片構成。

　　該子系統(tǒng)主要負責監(jiān)視人員進入樓宇和重要場所的活動情況，當有人員進入IR 的監(jiān)測范圍時，IR便將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送給與它相連接的Mo te, 然后通過網(wǎng)關T mote 上報給監(jiān)控子系統(tǒng)。在監(jiān)控子系統(tǒng)中可以將這些監(jiān)測數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，同時對一些重要場所設置告警規(guī)則，當規(guī)測滿足時，觸發(fā)告警。

　　圖2 樓宇某層網(wǎng)絡布局圖基于WiFi 技術的機器人子系統(tǒng)由若干個機器人和無線網(wǎng)絡接入節(jié)點（ 無線路由器） 組成。該子系統(tǒng)主要負責對重要場所的侵入活動進行跟蹤。當監(jiān)控中心子系統(tǒng)觸發(fā)告警后，通過WiFi 通信技術給機器人發(fā)送命令，指揮機器人到指定的位置進行跟蹤，采集相關的圖像和音頻信息，并將這些信息反饋到監(jiān)控中心顯示/ 播放和存檔。本系統(tǒng)中的機器人采用加拿大Dr. Ro bo t 公司設計和開發(fā)的智能無線機器人X80 系列WiRobot （ 該機器人配備有超聲波傳感器3 個、紅外距離傳感器7 個、人體傳感監(jiān)測器2 個、攝像頭1 個、音頻播放器1 個）。

　　無線網(wǎng)絡接入節(jié)點采用D- Link 公司生產(chǎn)的無線路由器。

　　基于WiFi 技術的攝像監(jiān)視子系統(tǒng)由若干個Web 照相機和無線網(wǎng)絡接入節(jié)點（ 無線路由器） 組成。Web 照相機被安裝到樓宇進出口和重要場所，能夠對監(jiān)視范圍內(nèi)的活動情況進行拍照，并將照片通過無線網(wǎng)絡接入節(jié)點發(fā)送到監(jiān)控中心進行顯示和存檔。本系統(tǒng)中的Web 照相機采用D-Link 公司生產(chǎn)的DCS-G900 照相機。

　　監(jiān)控中心子系統(tǒng)由服務器、PC、筆記本電腦等組成。該子系統(tǒng)主要負責對整個監(jiān)測系統(tǒng)進行調度、控制、數(shù)據(jù)處理和存儲。監(jiān)控中心子系統(tǒng)中的設備可以通過有線，也可以通過WiFi 無線接入網(wǎng)絡。

2 關鍵技術

　　基于ZigBee和WiFi相結合的樓宇監(jiān)測系統(tǒng)中涉及到的關鍵技術主要有傳感數(shù)據(jù)的采集、傳感器節(jié)點能量的節(jié)省、坐標系統(tǒng)的建立以及機器人的控制。

　　2. 1 傳感數(shù)據(jù)的采集

　　傳感數(shù)據(jù)采集是本系統(tǒng)中最為基礎的功能，是系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)來源和控制基礎。本系統(tǒng)中采用的匯集傳感器節(jié)點是由克爾斯博科技（ CrossBow ） 公司開發(fā)和生產(chǎn)的無線傳感設備Mo te, 該節(jié)點是在TinyOS 支持之下進行數(shù)據(jù)采集和通信工作。TinyOS是美國加州大學伯克利分校專門針對傳感器網(wǎng)絡特點而設計的操作系統(tǒng)。TinyOS 使用高效的基于事件的執(zhí)行方式，包含經(jīng)過特殊設計的組建模型，成為高效率的模塊化和易于構造的組件型應用軟件。在TinyOS 中，通過nesC 語言表達組件以及組件之間的事件/ 命令接口。

　　本系統(tǒng)中的傳感數(shù)據(jù)的采集和傳輸也是在TinyOS 基礎之上進行設計和開發(fā)的。利用nesC應用程序框架和各種組件開發(fā)了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸功能模塊，并將采集的數(shù)據(jù)在監(jiān)控中心實時顯示和入庫存儲。為了便于數(shù)據(jù)的采集和識別，在監(jiān)控中心的服務器中預先給每個傳感器IR 分配一個惟一的標識（ ID） , 通過該ID 指示傳感器的位置。如圖2 所示的傳感器布局中，共布局了45 個IR 傳感器，根據(jù)每臨近的5 個IR 匯集為的原則，分別分配ID 號為11, 12, 13, 14, 15, 21, 22, ,,,91, 92, 93, 94, 95. 為了盡量節(jié)省傳感器的能量，傳感器IR 采用休眠工作機制，即當沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，傳感器IR 處于休眠狀態(tài)，當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，IR 被喚醒并傳送數(shù)據(jù)。IR 檢測和傳送數(shù)據(jù)采用基于事件驅動方式，傳感器IR 檢測到人員活動時，將它的ID 通過匯集節(jié)點Mote 和網(wǎng)關T mo te傳送到監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊接收到該ID 后，提取當前的系統(tǒng)時間，然后將ID 和當前的系統(tǒng)時間實時顯示并存入數(shù)據(jù)庫。

　　在一個樓宇中可能有一些重要區(qū)域（ 或稱之為禁區(qū)） , 當檢測到某個禁區(qū)出現(xiàn)人員活動時，檢測中心應當自動發(fā)出告警信息。為此，首先需要在該禁區(qū)安裝若干個傳感器IR, 如圖2 所示禁區(qū)316 中的5 個IR. 然后在監(jiān)控中心的服務器中預先將該禁區(qū)與該禁區(qū)中安裝的所有傳感器IR 的ID 進行關聯(lián)，并設置告警條件。當處于該禁區(qū)所有IR 中的任何一個檢測到人員活動時，立即將該ID 以及當前的系統(tǒng)時間實時顯示并存入數(shù)據(jù)庫，同時通過聲音、顏色發(fā)布告警。

　　2. 2 基于能量均衡的分簇多跳路由

　　當樓宇中多層樓道的傳感器節(jié)點組成一個規(guī)模較大的傳感器網(wǎng)絡時，傳感數(shù)據(jù)往往需要經(jīng)過多個中間節(jié)點（ 簇頭） 的轉發(fā)才能到達網(wǎng)關，再通過網(wǎng)關發(fā)送到監(jiān)控中心。由于傳感器中間節(jié)點的能量有限， 盡量降低傳感器中間節(jié)點的能量消耗。提高網(wǎng)絡的生存周期是無線傳感器網(wǎng)絡必須重點考慮和解決的問題。 將傳感器網(wǎng)絡的能量消耗分為有用能耗和無用能耗。有用能耗包括傳數(shù)據(jù)輸/ 接收、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)查詢等； 無用能耗主要有空閑偵聽、數(shù)據(jù)重傳、額外開銷以及產(chǎn)生和處理控制包。高效的路由算法能夠較好的降低數(shù)據(jù)傳輸/接收能量消耗。

　　系統(tǒng)一個方面通過休眠機制， 使傳感器節(jié)點在無數(shù)據(jù)傳輸時處于休眠來降低節(jié)點的能量消耗。

　　同時由于充當簇頭節(jié)點的能量消耗遠遠高于其他的節(jié)點，為了提高整個網(wǎng)絡的整體生存期，提出了一種基于能量均衡的分簇多跳路由算法。算法的基本思想是將若干個節(jié)點劃分為一個簇，定時評估簇內(nèi)各個節(jié)點的剩余能量。根據(jù)能量評估結果，使剩余能量最多的節(jié)點充當簇頭，即定時動態(tài)產(chǎn)生簇頭，使簇內(nèi)各個節(jié)點輪值充當簇頭，從而避免長期讓某個節(jié)點充當簇頭將能量耗盡后無法工作的現(xiàn)象發(fā)生。該算法相對于其他的相關算法具有簡單、易于實現(xiàn)、高效的特點。

　　2. 3 坐標系統(tǒng)構建

　　本系統(tǒng)需要建立兩個坐標系統(tǒng)，一個是傳感器布局實際空間坐標系統(tǒng)，該坐標系統(tǒng)主要用于控制機器人的移動以及指示告警位置。另一個坐標系統(tǒng)是屏幕圖形顯示坐標系統(tǒng)，主要用于屏幕以圖形方式顯示傳感器布局和告警點。

　　在傳感器布局實際空間坐標系統(tǒng)中需要標識的對象主要包括三個方面： 傳感器的位置、重要場所的位置以及特殊標識物的位置。

　　如前所述，由于預先將每個傳感器編制了惟一的ID, 于是可以根據(jù)坐標原點O（ 0, 0） 預先測量確定傳感器IR 的坐標位置，然后建立傳感器ID 與傳感器位置信息的配置表。因此，當某個傳感器報警時，利用該傳感器的ID 通過查表可以確定報警點的位置。

　　重要場所（禁區(qū)） 的位置信息原則上可以通過安裝在該場所中傳感器的ID 來指示，但是由于需要控制機器人對該場所進行跟蹤監(jiān)視，實際上是對某區(qū)域范圍中的可疑人員進行跟蹤監(jiān)視。因此嚴格的說需要的是該場所的位置信息（ 確切的說是進入該場所入口的位置信息） , 而不是場所中傳感器的位置信息。所以，可以將一些重要場所的位置信息預先在坐標系統(tǒng)中標出，并且建立場所中所有傳感器與該場所入口的位置信息對應表。當該場所中任何一個傳感器報警時，通過查找對應表，給出該場所入口的位置信息。如圖2 所示，當確定坐標原點O（ 0, 0） 的位置后，通過測量，可以預先獲得一些重要場所的坐標信息。如： 302A 的坐標信息是（ -182, 697） ; 302 的是（ - 939, 1302） ; 329 的是（ 2393,1606） ; 330 的是（ 2121, 1303 ） ; 316 的是（ 1545,1698） . 坐標信息的單位是厘米，因此根據(jù)該坐標系統(tǒng)控制機器人的移動，精確度可以達到1 厘米。

　　特殊標識物是用于控制機器人的一些輔助性標識。由于WiRobot X80 自身沒有位置定位裝置，但是在控制機器人移動的過程中，需要及時掌握機器人的當前位置，因此通過坐標系統(tǒng)和特殊標識物來解決這個問題。如圖2 所示墻壁1 和墻壁2 可用作特殊標識物，當控制機器人進入320, 330, 316 等房間時，需要利用墻壁1 作為標識，指示控制機器人轉向。當控制機器人進入329 房間時，需要利用墻壁1 和墻壁2 作為標識。根據(jù)圖2 中的位置，墻壁1 和墻壁2 的位置信息是： 墻壁1 （ * * * ,1667） . 由于利用墻壁1 控制機器人的轉動，只是關心它與原點的Y 值，而不關心它的X 值。墻壁2（ 2363, * * * ） , 同理，只是關心它與原點的X 值，而不關心它的Y 值。

　　例如，當需要控制機器人進入316 房間，程序的控制規(guī)程是根據(jù)316 的坐標信息（ 1545, 1698） 驅動機器人從原點O（ 0, 0） 出發(fā)，一直前行，直至到達墻壁1（ 通過機器人的紅外傳感可以檢測到） , 然后控制機器人90b右轉，當X 值達到1545 時，控制機器人90b左轉進入316 房間。

　　系統(tǒng)以圖形界面方式顯示傳感器布局、機器人的實時移動路線以及顯示告警點，因此還需要建立一個圖形界面坐標系統(tǒng)。為了保持顯示圖形能夠與實際傳感器布局以及告警點一致，與機器人的移動同步，需要將傳感器布局實際空間坐標系統(tǒng)與圖形界面坐標系統(tǒng)映射。具體方法是當進行圖形顯示時，將實際空間坐標系統(tǒng)中的坐標值映射為圖形界面中的坐標值，按照圖形界面中的坐標值進行畫圖顯示。當圖形被放大/ 縮小時，按照圖形放大/ 縮小的比例因子重新計算被映射的坐標值。為了保證系統(tǒng)的靈活性，我們開發(fā)了坐標系統(tǒng)映射配置功能，用戶可以預先輸入實際空間坐標系統(tǒng)中的傳感器、重要場所、特殊標識物以及原點等的坐標信息。系統(tǒng)能夠將這些坐標信息直接映射為圖形界面中的坐標值。當需要新增加禁區(qū)、特殊標識物、新增或移動傳感器節(jié)點時，只需要重新配置這些點的坐標信息即可，而不需要修改系統(tǒng)軟件部分。

　　2. 4 機器人的控制

　　基于WiFi 技術的機器人子系統(tǒng)主要負責對重要場所的侵入活動進行跟蹤。當監(jiān)控中心子系統(tǒng)觸發(fā)告警后，通過WiFi 通信技術給機器人發(fā)送命令，指揮機器人到指定的位置進行跟蹤，采集相關的圖像和音頻信息，并將這些信息反饋到監(jiān)控中心顯示/ 播放和存檔。

　　1） 機器人的驅動。

　　機器人按照給定的速度前進（ 假定速度為Vcm/ s） , 前進時間t 秒，可以計算出它移動的距離d= v* t . 這樣在實際空間坐標系統(tǒng)中我們可以確定機器人的當前位置，從而可以控制機器人順利到達目的地。但是實際情況較為復雜，在機器人前進的過程中，機器人可能不是完全走直線，也可能走成斜線，如圖3 所示。這樣根據(jù)速度和時間計算出來的d 值與坐標系統(tǒng)中的實際Y 值之間存在偏差，而且偏差值可能較大。為了解決該問題，我們可以根據(jù)d 和Y 計算得到偏移的x 值，然后對坐標X 值進行矯正。實際上，通過反復試驗發(fā)現(xiàn)，如果當機器人在原點時的前進方向剛好垂直于特殊標識物墻壁1, 偏移值x 很?。?偏移量 3% ） , 可以忽略。當然，在原點時的讓機器人的前進方向剛好垂直于特殊標識物墻壁1 是很困難的。

圖3 機器人可能行進的實際路線

　　如上述控制機器人進入316 房間的例子中，假定當機器人在原點時的前進方向剛好垂直于特殊標識物墻壁1. 如果考慮到實際可能存在的偏差，則程序的控制規(guī)程是，根據(jù)316 的坐標信息（ 1545, 1698） 驅動機器人從原點O（ 0, 0） 出發(fā)，同時開始計時，一直前行，直至到達墻壁1（ 通過機器人的紅外傳感可以檢測到） . 此時根據(jù)機器人實際行進的距離d 和已知的墻壁1 距離原點的垂直距離Y 值（ 1667） , 計算出偏移值x . 同時比較機器人前方左右端兩個紅外傳感檢測值，可以判斷出是偏移正向的x , 還是偏移負向的x . 將機器人當前的位置設定為（ x , 1667） , 然后控制機器人90b右轉，當X 值達到1545 時，控制機器人90b左轉，繼續(xù)前行31 cm（ 1698~ 1667） 進入316 房間。

2） 障礙物的避讓。

　　控制機器人前行的過程中可能遇到障礙物。因此，需要控制機器人自動檢測和自動避讓障礙物。

　　障礙物的自動檢測比較簡單，利用機器人上配置的超聲波傳感器或紅外傳感器以及WiRobotSDK 提供的API 可以實現(xiàn)。本軟件系統(tǒng)采用紅外傳感器以及WiRobo tSDK 提供的API 來實現(xiàn)，通過獲取機器人前端、左、右各個紅外傳感器的檢測值，可以分別判斷出在前方、左、右是否存在障礙物。

　　控制機器人避讓障礙物則較為復雜，主要是需要重新計算坐標值。設計和實現(xiàn)的機器人躲避障礙物控制流程如圖4 所示。

圖4 機器人躲避障礙物流程圖

　　當機器人在前行的過程中檢測到前方出現(xiàn)障礙物時，停止機器人的前進，繼續(xù)檢測左、右方是否也存在障礙物。①如果左方存在有障礙物（ 說明只能向右方躲避），則暫存當前的行進距離值y , 并且控制機器人向右轉動90b繼續(xù)前進，直到機器人的左方紅外傳感器檢測不存在障礙物為止（ 表明已經(jīng)繞過障礙物），假定向右行進了d 厘米，則將原來的目標點的坐標值X 修正為X - d, 然后控制機器人向左轉動90b繼續(xù)前進，同時在原來的y 值基礎上繼續(xù)記錄行進距離值。②如果右方存在有障礙物（ 說明只能向左方躲避），則暫存當前的行進距離值y , 并且控制機器人向左轉動90b繼續(xù)前進，直到機器人的右方紅外傳感器檢測不存在障礙物為止（ 表明已經(jīng)繞過障礙物），假定向左行進了d 厘米，則將原來的目標點的坐標值X 修正為X + d, 然后控制機器人向右轉動90b繼續(xù)前進，同時在原來的y值基礎上繼續(xù)記錄行進距離值。③如果左、右方均不存在障礙物（ 說明向左、右方均能躲避） , 系統(tǒng)默認控制向右方躲避，其控制方法與①相同。

3 結論

　　由于ZigBee 和WiFi 各自存在較為明顯的特點，許多特性是相互補充的，因此將二者相結合具有很好的應用前景。本系統(tǒng)結合ZigBee 和WiFi 各自的優(yōu)點，建立了一種樓宇監(jiān)測無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。它能夠自動監(jiān)測樓宇中人員的活動情況，并根據(jù)基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)出的告警指令，自動控制機器人到達告警位置進行跟蹤。與傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)相比較，該系統(tǒng)具有低成本、無人值守的特點。該系統(tǒng)已經(jīng)在科羅拉多礦業(yè)學院工程系主樓上得到實際應用。該系統(tǒng)還可以應用于礦山、小區(qū)等地方，同時，也適用于環(huán)境監(jiān)測（ 需要將紅外距離傳感檢測器換成溫度、濕度等傳感檢測器） . 但是，該機器人目前只能每次從固定的地點（ 坐標原點） 出發(fā)，經(jīng)過預定的路線到達目標點，當然，如果配備GPS 模塊，就很容易解決該問題。