楊薇薇，陳昌元，孫順遠，徐保國

(1．江南大學物聯(lián)網(wǎng)工程學院，江蘇無錫　214122；2．合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，安徽合肥　230009)

0　引言

目前集中供暖技術正在向自動化、智能化、網(wǎng)絡化為主的方向發(fā)展。為了能夠實現(xiàn)供暖的智能化，提高節(jié)點采集數(shù)據(jù)的靈活性，系統(tǒng)采用WSN技術實現(xiàn)對節(jié)點數(shù)據(jù)的無線采集，并將采集的數(shù)據(jù)實時顯示在LabVIEW開發(fā)的人機界面上。WSN是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡。其綜合了傳感器數(shù)據(jù)采集技術、嵌入式控制技術、信息處理技術及無線通信技術，具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點，能夠實時的采集、感知和監(jiān)測網(wǎng)絡分布域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并對其進行收集整理，從而獲得有用信息，實施精確控制。

1　系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)的網(wǎng)絡底層由多個溫濕度傳感器節(jié)點組成，采集用戶室內(nèi)的溫濕度，并將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡以多跳[1]的方式發(fā)送給匯聚節(jié)點，節(jié)點在多跳中還起到中繼轉發(fā)的作用；中間層為匯聚節(jié)點，匯聚各節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，并作為網(wǎng)關實現(xiàn)無線網(wǎng)絡與英特網(wǎng)之間的通信協(xié)議轉換，使無線傳感器網(wǎng)絡可以接入Internet，將數(shù)據(jù)傳至網(wǎng)絡服務器；頂層是上位機，對數(shù)據(jù)進行分析、保存、顯示、報警。

系統(tǒng)所構建的網(wǎng)絡為星型鏈狀混合的拓撲結構，整個監(jiān)測網(wǎng)絡，根據(jù)分簇算法[2]劃分為幾個區(qū)域。簇內(nèi)的感知節(jié)點之間可以相互通信，組成鏈狀拓撲[3-4]結構，并將測量數(shù)據(jù)沿所在鏈狀路由，采用多跳通信的方式向該簇內(nèi)能量最大的節(jié)點方向傳遞，并將此節(jié)點記為此時該簇內(nèi)的簇首節(jié)點，簇首節(jié)點與感知節(jié)點之間組成星型網(wǎng)絡拓撲結構，簇首節(jié)點為星型網(wǎng)絡的中心，通過無線模塊，將信息傳送給匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點接收到溫濕度數(shù)據(jù)信息，通過串口通信送給上位機進行處理。上位機利用LabVIEW[5]2010軟件開發(fā)平臺編寫友好的人機界面，對供暖用戶室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)進行分析和實時顯示，并將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。

2　節(jié)點設計

2．1感知/匯聚節(jié)點硬件設計

無線傳感器節(jié)點是網(wǎng)絡的基本單元，節(jié)點設計的好壞直接影響到整個網(wǎng)絡的質(zhì)量。設計的感知節(jié)點由溫濕度傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成。匯聚節(jié)點與感知節(jié)點之間使用無線通信，與上位機使用有線串口連接，出于軟件簡化等因素，系統(tǒng)采用模塊化設計思想，匯聚節(jié)點的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，直接使用感知節(jié)點的傳輸模塊，低成本高節(jié)能。結構圖如圖1所示。

(a)感知節(jié)點

(b)匯聚節(jié)點

2．1．1傳感器模塊

傳感器模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉換。設計的溫濕度傳感器選用的是硅傳感芯片SHT10，其由溫度、濕度敏感元件，一個放大器，14位A/D轉換器，OTP內(nèi)存和數(shù)字接口組成。該傳感器測量的溫濕度信息以數(shù)字信號輸出。濕度測量量程：0%～100%RH；溫度測量范圍：-40～123.8 ℃；供電電壓：2.4～5.5 V，設計選用3.3 V．為避免信號沖突，微處理器驅動DATA在低電平，需要一個外部10 kΩ的上拉電阻將信號提升至高電平，如圖2所示。

圖2　傳感器應用電路

2．1．2處理器模塊

處理器作為核心控制器件，負責數(shù)據(jù)處理和存儲。STM8L單片機是基于8位STM8內(nèi)核的超低功耗微控制器，在1.8～3.6 V低電壓下工作，16MHz處理器，最多4種低功耗工作模式，低于1 mA的硬件RTC和自動喚醒系統(tǒng)單元，器件在少于4 s的時間內(nèi)可以從低功耗模式迅速喚醒，片上直接存儲器訪問單元(4通道DMA)。

2．1．3無線通信模塊

無線通信模塊負責與其它傳感器節(jié)點進行無線通信、交換信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。無線射頻收發(fā)器選用RF4432，其核心器件Si4432，是高度集成的無線ISM頻段收發(fā)芯片，工作電壓為1.8～3.6 V，工作于433/868(可定制240～930 MHz)頻率范圍，在FIFO Mode下，能自動退出發(fā)送或者接收狀態(tài)，接到中斷信號后能自動處理字頭和CRC校驗碼。

2．1．4電源模塊

電源模塊為感知節(jié)點提供智能充電和電路短路保護等，以確保節(jié)點正常工作時所需的能量。綜合節(jié)點大小等多方面因素，用3節(jié)1.5 V的可充電電池給節(jié)點供電并設計了電壓轉換模塊，得到輸出為3.3 V的供電電壓，電路圖如圖3所示。

圖3　供電電壓轉化電路

2．1．5串口通信模塊

上位機通過串口與匯聚節(jié)點進行通信，由于STM8L的串口通信采用TTL電平，而工控機的串行接口電平通常為-15～15 V[6]，所以為了實現(xiàn)上位機與下位機之間的通信，必須采用MAX232進行電平轉換。其電路圖如圖4所示，其中R1OUT和T1IN分別連接STM8L的RXD和TXD端口。

圖4　串口連接電路

2．2感知/匯聚節(jié)點軟件設計

在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部署的感知節(jié)點，除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還對其他節(jié)點轉發(fā)過來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合處理。軟件啟動以后，首先進行初始化，節(jié)點默認處于休眠狀態(tài)，等待接收數(shù)據(jù)，當節(jié)點通過射頻模塊接收到數(shù)據(jù)或自身傳感器感應到數(shù)據(jù)后被喚醒，進行數(shù)據(jù)處理并在發(fā)送周期到來時發(fā)送給下個節(jié)點或簇首節(jié)點，其工作流程如圖5所示。

匯聚節(jié)點通過射頻模塊與簇首節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，并通過串口與上位機進行通信。因此，匯聚節(jié)點可以被射頻數(shù)據(jù)喚醒，也可以被串口數(shù)據(jù)喚醒。喚醒后，由數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進行相應的處理。處理后的數(shù)據(jù)被放置在發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)，當數(shù)據(jù)發(fā)送周期到來時，通過射頻模塊將緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)送出去，或通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。程序流程如圖6所示。

圖5　感知節(jié)點軟件設計程圖

圖6　匯聚節(jié)點軟件設計流程圖

3　無線網(wǎng)絡通信協(xié)議

3．1基于分簇網(wǎng)絡的MAC協(xié)議

針對該系統(tǒng)分簇結構的傳感器網(wǎng)絡，采用基于TDMA[7]機制的MAC協(xié)議，給每個節(jié)點分配固定的無線信道使用時段，避免了節(jié)點之間的相互干擾。針對系統(tǒng)應用環(huán)境的不同，傳感器節(jié)點可固定劃分或自動形成多個簇，如圖1中所示。每個簇內(nèi)簇頭負責為各節(jié)點分配時槽，收集和處理簇內(nèi)傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點。在該協(xié)議中感知節(jié)點有感應、轉發(fā)、感應并轉發(fā)和非活動4種狀態(tài)。協(xié)議還將時間幀分為周期性的4個階段即：數(shù)據(jù)傳輸階段；刷新階段；刷新引起的重組階段；事件觸發(fā)的重組階段?；赥DMA機制的MAC協(xié)議要求簇首節(jié)點具有較強的處理和通信能力，能量消耗比較大。合理的選擇簇首節(jié)點[8]也是需要研究的關鍵問題，在此不作詳述。

3．2數(shù)據(jù)包填充格式

感知節(jié)點與匯聚節(jié)點之間的數(shù)據(jù)處理是整個系統(tǒng)關鍵部分之一。感知節(jié)點啟動后，以MAC地址向匯聚節(jié)點注冊，獲得目前網(wǎng)絡的子網(wǎng)編號和節(jié)點ID號，匯聚節(jié)點則以數(shù)據(jù)包的形式，通知感知節(jié)點下一次休眠時間，并給感知節(jié)點分配數(shù)據(jù)采集任務。通信過程中，要將數(shù)據(jù)信息封裝成數(shù)據(jù)包形式，表1給出了所定義數(shù)據(jù)包的填充格式。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)包的長度為32位(0～31)，數(shù)據(jù)包中每一位采用16進制數(shù)值表示。

表1　數(shù)據(jù)包的填充格式

表1中起始位是數(shù)據(jù)包的起始標志；節(jié)點數(shù)表示目前數(shù)據(jù)包中已經(jīng)記錄的數(shù)據(jù)個數(shù)；發(fā)送、接收_ID是指數(shù)據(jù)包發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點的ID號；第4～29位的26個字節(jié)紀錄了第1～13個信息數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)是來自于哪一個感知節(jié)點，具體數(shù)值是多少。例如ID_1表示D_1里的數(shù)據(jù)是由ID號為ID_1的感知節(jié)點所采集，D_1表示數(shù)據(jù)包中記錄第1個采集的溫濕度數(shù)據(jù)；第30和31位是數(shù)據(jù)包的校驗位、結束位。

該數(shù)據(jù)包設計最多可紀錄13個感知節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，即鏈狀網(wǎng)絡的最大的規(guī)模為13跳，這樣的通信長度已經(jīng)可以滿足常規(guī)需求。系統(tǒng)在實際應用時，可根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)模調(diào)整數(shù)據(jù)包的長度[9]。

3．3數(shù)據(jù)包處理流程

傳感器節(jié)點接受到數(shù)據(jù)包后按圖7流程進行處理。發(fā)送數(shù)據(jù)包SendPacket和接收到的數(shù)據(jù)包RecPacket均遵守表1的數(shù)據(jù)包格式。

圖7　感知節(jié)點數(shù)據(jù)處理流程圖

首先將發(fā)送數(shù)據(jù)包初始化，在接收數(shù)據(jù)周期到來時接收數(shù)據(jù)，判斷該數(shù)據(jù)是其它節(jié)點轉發(fā)的非空數(shù)據(jù)包還是感應節(jié)點自身感應的數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)是否為新數(shù)據(jù)，若不是則丟棄；若是，則將新數(shù)據(jù)裝載進接收數(shù)據(jù)包，在發(fā)送周期到來時，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

4　上位機軟件設計

該系統(tǒng)主要用于監(jiān)測供暖居民室內(nèi)溫濕度信息，上位機軟件主要實現(xiàn)采集、分析、存儲、顯示、報警等功能，對各用戶家庭室內(nèi)溫濕度進行采集匯總，對溫度異常用戶實時報警，該部分程序是用一種圖像化編程語言LabVIEW來編寫的?；贚abVIEW的上位機軟件可以實時顯示溫度數(shù)據(jù)，并且與Access數(shù)據(jù)庫[10]連接將歷史數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中，方便以后查詢。

5　結束語

無線傳感器網(wǎng)絡應用到供暖系統(tǒng)是現(xiàn)階段流行的技術，系統(tǒng)應用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術，將無線短距離傳輸與無線長距離傳輸高效結合。系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點各自工作狀態(tài)和信息采集需求，進行智能休眠以節(jié)省電能，合理設計內(nèi)外部器件，采用性能優(yōu)良的無線發(fā)射模塊，無線網(wǎng)絡采用智能優(yōu)化算法，網(wǎng)絡正常工作時間得到延長，系統(tǒng)能夠高效的運行。還可對系統(tǒng)進一步研究，添加網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)布和遠程手機監(jiān)測等功能，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)、局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)三網(wǎng)融合。

參考文獻：

[1]LIU W J，SUN Y，YU J G，et al．A Grid-Based Distributed Multi-Hop Routing Protocol for Wireless Sensor Networks．Embedded and Ubiquitous Computing，2008：330 -336．

[2]BABAIE S，ZZDEH A K，AMIRI M G．The New Clustering Algorithm with Cluster Members bounds for energy dissipation avoidance in wireless sensor network ．Computer Design and Applications，2010 ：V2：613-617．

[3]PAJI M，SUNDARAM S，PAPPAS G J，et al．Topological conditions for wireless control networks．Decision and Control and European Control Conference，2011：2353-2360．

[4]SHI X，XU Y S，HU J M．The Topological Structure Optimization for Large Scale Wireless Sensor Network ．Information Acquisition，2007：492-497．

[5]吳懷超，周勇．基于虛擬儀器和MSP430單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)．化工自動化及儀表，2011，38(1)：52-55．

[6]徐進富，熊偉麗，徐保國，等．危害動物控測的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計．傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(6)：57-59．

[7]ARISHA K A，YOUSSEF M A，YOUNIS M F．Energy-aware TDMA-based MAC for sensor networks．IEEE Workshop，New York，2002．

[8]張然，覃少華．基于LEACH的傳感器網(wǎng)絡分簇路由協(xié)議．計算機工程與設計，2012，33(4)：1333-1346．

[9]李棟，張林，徐保國．無線溫室信息監(jiān)測系統(tǒng)設計．微計算機信息，2009，25(3-2)：38-63．

[10]王維剛，李偉，張穎，等．基于LabSQL的LabVIEW與Access數(shù)據(jù)庫的通信．教育教學論壇，2012：158-159．