ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在遠程環(huán)境監測中的應用

0 引言

2008年5月12日，8級強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)濟損失達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。上述這些駭人的數據足以提醒人們迫切需要對環(huán)境進(jìn)行精確、實(shí)時(shí)監控，以降低火災、自然災害等對人類(lèi)造成的生命財產(chǎn)損失。但是，傳統的有線(xiàn)方式布線(xiàn)難度大、成本高且維護困難，因而需要另一種體系結構來(lái)對無(wú)人職守的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)連續地監控，從而讓監控網(wǎng)絡(luò )擺脫電纜布線(xiàn)和人工堅守的束縛。

1 Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，傳感器節點(diǎn)可通過(guò)飛機布撒，人工布置等方式，以一定的間隔距離分布在監控區域內。這些節點(diǎn)再通過(guò)自組織方式構成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，并以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋區域中特定的信息，從而實(shí)現對任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集、處理和分析。這種以自組織形式構成的網(wǎng)絡(luò )，可通過(guò)多跳中繼方式將數據傳回中心控制節點(diǎn)，最后將整個(gè)區域內的數據傳送到遠程控制中心來(lái)進(jìn)行集中處理。

目前迫切需要一種符合低端、面向控制、應用簡(jiǎn)單的專(zhuān)用標準，而Zigbee的出現正好解決了這一問(wèn)題。Zigbee有著(zhù)高通信效率、低復雜度、低功耗、低成本、高安全性以及全數字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得Zigbee和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )完美地結合在一起。目前，基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究和開(kāi)發(fā)已得到越來(lái)越多的關(guān)注。

ZigBee是基于IEEE802．15．4無(wú)線(xiàn)標準研制開(kāi)發(fā)的一種短距離、低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)。ZigBee所使用的頻段是免費開(kāi)放的，分別為2．4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)，傳輸范圍依賴(lài)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(wú)限擴展。在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中存在三種邏輯設備類(lèi)型：協(xié)調器、路由器和終端設備。協(xié)調器包含所有的網(wǎng)絡(luò )消息，并具有存儲容量大、計算能力強等特點(diǎn)，其主要任務(wù)是發(fā)送網(wǎng)絡(luò )信標、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò )、管理網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、存儲網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)信息、尋找一對節點(diǎn)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備的通訊；終端設備沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò )結構的責任?？梢运呋蛘邌拘?，因此，它可作為一個(gè)電池供電設備。

本文提出的無(wú)線(xiàn)傳感器解決方案的體系結構由傳感器節點(diǎn)、中心控制節點(diǎn)和環(huán)境信息監控中心三部分組成。其系統結構框圖如圖l所示?；趯?shí)時(shí)性、便捷性和運行成本的考慮，本系統采用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現環(huán)境數據的采集和上傳。傳感器節點(diǎn)則通過(guò)人工布置或飛機分撒等方式分布在監測區域內，通過(guò)自組織形式形成無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò )，在采集環(huán)境數據后，可直接或經(jīng)路由器間接地將環(huán)境數據上傳到中心控制節點(diǎn)，中心控制節點(diǎn)則通過(guò)串口將環(huán)境數據傳輸到監控中心計算機上進(jìn)行環(huán)境數據分析、存儲和預警。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是整個(gè)系統的核心，也是本設計的重點(diǎn)。它主要由一個(gè)中心控制節點(diǎn)和多個(gè)傳感器節點(diǎn)構成，主要功能是利用傳感器技術(shù)采集環(huán)境數據，同時(shí)采用ZigBee技術(shù)形成無(wú)線(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò )，從而實(shí)現環(huán)境數據在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的傳輸。

2．1 無(wú)線(xiàn)通信模塊選型

目前市場(chǎng)上針對ZigBee標準研制的芯片已經(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。綜合考慮到系統的穩定性、節能性和傳輸頻率的需求，本系統的無(wú)線(xiàn)通信模塊采用TI公司針對低系統成本、低功耗方面發(fā)布的射頻芯片CC2430來(lái)設計。圖2所示是CC2430的應用設計電路。

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

對于環(huán)境遠程監測系統來(lái)說(shuō)。一方面需要對監測區域內的環(huán)境參數進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確地采集，整體了解監測區域的溫度、濕度等參數分布狀況，并進(jìn)行必要的預測；另一方面，當某一參數值出現異常時(shí)，還要求網(wǎng)絡(luò )應能及時(shí)報警，以預防事故發(fā)生。野外環(huán)境的各種參數變化比較緩慢，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)境數據做周期性的采集并向上報告，以便管理人員根據數據的變化對可能出現的危險提前做出預測并采取相應的處理措施，從而盡可能避免災難的發(fā)生。但考慮到節點(diǎn)的能耗要求，節點(diǎn)不應該一直不停歇的對監測區域的環(huán)境參數進(jìn)行采集，因此，本系統傳感器節點(diǎn)的設計采用電池供電，中心控制節點(diǎn)采用穩壓電源供電。中心控制節點(diǎn)與監控中心通過(guò)串口相連。

2．2 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的結構設計

傳感器節點(diǎn)是系統的數據源，它主要由濕度、溫度、煙塵等多路傳感器采集模塊、信號調理模塊和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊組成，負責采集和上傳監測區域內的各種環(huán)境參數和接收環(huán)境監控中心發(fā)送的模式控制命令。為滿(mǎn)足野外無(wú)人值守的需求，設計可采用電池供電方式。其硬件結構框圖如圖3所示。

中心控制節點(diǎn)負責啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )和維護節點(diǎn)，采集無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )上傳來(lái)的環(huán)境參數，并通過(guò)串口發(fā)送到監控中心計算機上，同時(shí)偵聽(tīng)串口接收中斷，用以向傳感器節點(diǎn)發(fā)送模式控制指令，因此，在中心控制節點(diǎn)的硬件平臺上可擴展使用RS232串口?？紤]到功耗等問(wèn)題，電源系統的設計采用穩壓電源供電，這樣電量較為充足，能夠滿(mǎn)足系統需求。除了上述特殊需求外，中心控制節點(diǎn)的結構設計與傳感器節點(diǎn)的不同之處是其不包含傳感器組和信號調理模塊。

3 軟件程序設計

3．1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )層數據幀

傳感器節點(diǎn)、中心控制節點(diǎn)之間的數據傳輸必須遵循一定的數據格式，才能保證傳輸數據的正確性和有效性。一種有效的數據幀格式對于通信網(wǎng)絡(luò )中數據的準確傳輸能起到事半功倍的效果。數據幀的定義應該滿(mǎn)足兩個(gè)條件：一是要具有很好的擴展性，以方便系統擴展其他服務(wù)；二是要盡量簡(jiǎn)潔，以減少通信網(wǎng)絡(luò )中的數據流量，使數據通信更通暢。

當傳感器節點(diǎn)向中心控制節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)，必須讓中心控制節點(diǎn)知道自己上傳數據的類(lèi)型以及自己的設備特征，這樣，當出現異常時(shí)，監測網(wǎng)絡(luò )就可以報告出現異常的區域以及異常的特征?？紤]到這個(gè)需求，在網(wǎng)絡(luò )中傳輸的數據就必須按照網(wǎng)絡(luò )約定的格式進(jìn)行存儲。圖4所示是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )層數據幀的格式定義。

其中OXAAH為幀頭，是一個(gè)數據幀開(kāi)始的標志；

0XBBH為幀尾，是一個(gè)數據幀結束的標志；

校驗和用于表示通過(guò)校驗位來(lái)檢驗數據幀在傳輸過(guò)程中是不是發(fā)生了數據位的改變，通常從幀類(lèi)型到數據域尾進(jìn)行加和校驗；

通過(guò)幀類(lèi)型域可以判斷此數據幀所攜帶的是哪一種數據。為了滿(mǎn)足系統需求，一般可設置周期采集數據和中斷數據兩種數據類(lèi)型。其中“0X01H”表示中斷數據， “0X02H”表示周期采集數據。

利用設備標識，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，傳感器節點(diǎn)在此域中寫(xiě)入自己的短地址的低字節作為自己的標志，上級網(wǎng)絡(luò )根據這個(gè)標志就可以知道是哪個(gè)設備的數據。

數據域是數據幀的主要部分。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，數據域包括系統定義的幾種參數測量值(3字節ASII碼)。在系統定義的數據幀格式中，各個(gè)參數的位置是固定不變的，順序依次為溫度值、濕度值、節點(diǎn)電池電壓值，因此，數據域的長(cháng)度為固定的9字節。存放測量值的數據域每次都在傳感器點(diǎn)采集數據前都將民初始化為全0，這樣，如果某個(gè)參數沒(méi)有傳遞過(guò)來(lái)自己的測量值，上級設備就可以根據某段數據是否為全0來(lái)判斷數據是否成功采集。

3．2 中心控制節點(diǎn)程序設計

中心控制節點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與監控中心交互的關(guān)鍵部分。它作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器，可建立一個(gè)新的ZigBee無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，以負責網(wǎng)絡(luò )標識符的選取，并允許加入網(wǎng)絡(luò )，實(shí)施節點(diǎn)綁定；接收傳感器節點(diǎn)的環(huán)境數據，并進(jìn)行預處理；同時(shí)，還通過(guò)RS232串口將數據傳輸到監控中心進(jìn)行數據分析和處理。因此，中心控制節點(diǎn)應該一直處于活躍的工作狀態(tài)，時(shí)刻監聽(tīng)無(wú)線(xiàn)數據和串口數據，其中心控制節點(diǎn)的設計流程如圖5所示。

中心控制節點(diǎn)在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中充當著(zhù)協(xié)調器的角色，它應該具有建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )并允許其他節點(diǎn)加入的能力；同時(shí)，中心控制節點(diǎn)還要實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和監控中心計算機的數據通信功能。中心控制節點(diǎn)工作時(shí)，首先用電源開(kāi)關(guān)S1啟動(dòng)監測站網(wǎng)關(guān)，以開(kāi)始建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )過(guò)程，并進(jìn)行串口初始化。監測站網(wǎng)關(guān)的應用程序應通過(guò)應用層接口與協(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，而且這些工作應在協(xié)議棧內自動(dòng)完成。

初始化完畢后，中心控制節點(diǎn)即進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)。在此循環(huán)中，中心控制節點(diǎn)首先判斷是否有串口中斷指令，然后響應指令，并將指令廣播發(fā)送到傳感器節點(diǎn)；若無(wú)串口中斷數據，則偵聽(tīng)空中無(wú)線(xiàn)數據，若偵聽(tīng)到無(wú)線(xiàn)數據經(jīng)加和校驗判斷為有效數據，則將數據通過(guò)串口發(fā)送到監控中心。

3．3 傳感器節點(diǎn)程序設計

考慮到節點(diǎn)對能耗的要求，節點(diǎn)不應該一直不停歇的對監測區域的環(huán)境參數進(jìn)行采集，因此，本系統為傳感器節點(diǎn)設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 )中采集數據的節點(diǎn)將按照設定的時(shí)間間隔和循環(huán)采集次數對環(huán)境數據進(jìn)行采集和上傳，當采集發(fā)送指定次數后，傳感器節點(diǎn)自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式。傳感器節點(diǎn)的工作流程如圖6所示。

傳感器節點(diǎn)初始化工作完成后，即可運行ZStack協(xié)議棧，以自動(dòng)完成加入網(wǎng)絡(luò )、建立鄰居表等底層操作。應用層在收到成功入網(wǎng)的事件消息后，將設置睡眠定時(shí)器并開(kāi)啟全局中斷，此后節點(diǎn)將進(jìn)入睡眠狀態(tài)以實(shí)現低功耗工作。在睡眠狀態(tài)下，傳感器節點(diǎn)的大部分內部電路掉電關(guān)閉，只有上電復位、外部中斷、32．768 kHz睡眠時(shí)鐘處于活躍狀態(tài)，但此時(shí)傳感器節點(diǎn)能夠時(shí)刻偵聽(tīng)空中的無(wú)線(xiàn)數據。在睡眠模式下，若傳感器節點(diǎn)偵聽(tīng)到無(wú)線(xiàn)數據，則對接收到的數據進(jìn)行解析。若為有效的周期采集命令，則喚醒傳感器節點(diǎn)進(jìn)入周期采集工作模式，同時(shí)設置周期采集時(shí)間間隔Tc和采集次數N。開(kāi)始循環(huán)采集上傳環(huán)境數據。當采集發(fā)送到指定次數時(shí)，傳感器節點(diǎn)又自動(dòng)進(jìn)入睡眠偵聽(tīng)模式。

若傳感器節點(diǎn)未偵聽(tīng)到無(wú)線(xiàn)數據，則判斷睡眠定時(shí)器是否溢出，若睡眠定時(shí)器未溢出，則繼續睡眠偵聽(tīng)；反之，定時(shí)器溢出中斷觸發(fā)一次環(huán)境數據采集過(guò)程，并判斷環(huán)境參數是否超出閾值，若超出閾值，則啟動(dòng)報警電路，并將異常數據打包發(fā)送到監測站網(wǎng)關(guān)；如果采集到的環(huán)境參數在正常范圍內，則丟棄該數據，節點(diǎn)繼續睡眠偵聽(tīng)。

4 結束語(yǔ)

本文提出了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )環(huán)境監控系統的整體架構、底層硬件和應用程序軟件的設計方法。該系統經(jīng)連接測試可組成多層分簇無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，從而實(shí)現數據的傳輸，并可達到預期效果，同時(shí)系統穩定性、響應速度等性能都可滿(mǎn)足實(shí)際需求。此外，本系統還具有良好的擴展性，可以根據具體要求方便地在數據采集模塊上進(jìn)行相應傳感器的擴充以完成特定數據采集的需要。Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )因其組網(wǎng)靈活、節點(diǎn)耗電低、可自動(dòng)恢復等強大功能，其應用領(lǐng)域將會(huì )越來(lái)越廣泛。