(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

植物園是一個(gè)小型化的森林，為了將植物園打造成更適合游客旅游參觀的園林，同時(shí)也為了做好對(duì)植物園的保護(hù)工作，需要引進(jìn)智能管理技術(shù)。

照明是植物園的基本要求，植物的生長(zhǎng)也需要合適的溫濕度，又由于人流量大、樹木植被多和天氣易干燥等因素使植物園易發(fā)生火災(zāi)險(xiǎn)情。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee技術(shù)的植物園無線管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)在滿足照明和空氣溫濕度需求的同時(shí)，還能預(yù)警火情，避免了出現(xiàn)火情不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)帶來的財(cái)產(chǎn)損失，極大地滿足了植物園的現(xiàn)代化建設(shè)需求；在為游客參觀游玩提供便利的同時(shí)保障了人身安全。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)[1-3]能夠通過微型傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作地完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集信息[4]。將ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于植物園管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有以下特點(diǎn)：①ZigBee低功耗，具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)；②組網(wǎng)簡(jiǎn)單可靠；③依據(jù)路燈分布方位，可以做到無通信盲區(qū)；④利用其地理定位功能，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。因此，植物園無線管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)高效節(jié)能、科學(xué)合理、安全可靠，對(duì)植物園的管理監(jiān)測(cè)能夠起到很大的作用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)構(gòu)建了由管理中心、控制單元和節(jié)點(diǎn)控制器組成的控制網(wǎng)絡(luò)，其框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

管理中心相當(dāng)于WSN的服務(wù)器，通過GPRS與控制單元通信?？刂茊卧獡?dān)任WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器角色，通過ZigBee和節(jié)點(diǎn)控制器通信，可以實(shí)現(xiàn)GPRS和ZigBee兩種通信協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，充當(dāng)管理中心和節(jié)點(diǎn)控制器之間的通信員。節(jié)點(diǎn)控制器中各節(jié)點(diǎn)是WSN的終端節(jié)點(diǎn)，部分節(jié)點(diǎn)具有路由器功能，節(jié)點(diǎn)除了需要收集植物園各狀態(tài)的信息，還要對(duì)所收集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

系統(tǒng)通過使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和ZigBee系統(tǒng)的低成本的無線收發(fā)模塊，建立起一個(gè)ZigBee控制網(wǎng)，再通過GPRS與管理中心的計(jì)算機(jī)相連，從而實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的遙測(cè)遙控。

1.1 節(jié)點(diǎn)控制器設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)控制器是系統(tǒng)的基本單元，其在對(duì)路燈進(jìn)行開關(guān)控制、亮度調(diào)節(jié)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，采集園中空氣溫濕度和煙霧濃度；與臨近的節(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于傳送控制單元發(fā)送的控制指令以及回傳各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。節(jié)點(diǎn)控制器組成框圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)控制器框圖

節(jié)點(diǎn)控制器的硬件電路主要是以CC2530為核心的最小系統(tǒng)，配以無線通信接口、光照度傳感器、溫濕度傳感器和煙霧傳感器，通過無線通信接口收發(fā)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的開關(guān)控制、亮度調(diào)節(jié)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及上傳空氣溫濕度和煙霧濃度信息。

CC2530具有不同的運(yùn)行模式，尤其適應(yīng)具有超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。鑒于這些優(yōu)點(diǎn)，CC2530成為本設(shè)計(jì)的主控芯片。

路燈采用LED節(jié)能燈，LED能夠避免傳統(tǒng)光源路燈造成的光浪費(fèi)，且使用壽命長(zhǎng)，有利于環(huán)保。LED調(diào)光是利用一個(gè)直流信號(hào)或?yàn)V波脈寬調(diào)制信號(hào)對(duì)LED中的正向電流進(jìn)行調(diào)節(jié)來完成的。

由于傳感器節(jié)點(diǎn)是在外部環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量，因此需要做好傳感器節(jié)點(diǎn)的防曬防水工作。參考加州大學(xué)伯克利分校的GDI系統(tǒng)，可以給傳感器節(jié)點(diǎn)涂上一層10 μm的帕利靈密封劑，表面涂膠的傳感器節(jié)點(diǎn)裝在一個(gè)透明的丙烯酸外殼中。該外殼通風(fēng)且不會(huì)影響傳感器的感知或通信[5-6]。

1.2 控制單元設(shè)計(jì)

控制單元是系統(tǒng)的主控節(jié)點(diǎn)，其構(gòu)成框圖如圖3所示。一方面,它與節(jié)點(diǎn)控制器建立無線通信網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)；另一方面,將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成用戶可知的信息，并通過GPRS與管理中心進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。當(dāng)接收到節(jié)點(diǎn)控制器上傳的空氣溫濕度和煙霧濃度信息時(shí)，控制單元將信息及時(shí)回傳給管理中心；管理中心則將新接收的信息與以往信息進(jìn)行對(duì)比，如有異常，則立即采取相應(yīng)措施。

圖3 控制單元框圖

一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)硬件部分通常包括5個(gè)主要模塊：網(wǎng)絡(luò)控制與接入設(shè)備、IEEE 802.15.4無線通信模塊、核心控制與處理模塊、外部存儲(chǔ)器模塊和能量供應(yīng)模塊?？刂茊卧獌?nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示?？刂茊卧捎梅螴EEE 802.15.4協(xié)議的2.4 GHz芯片CC2530接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，再加上外圍輔助電路，完成了整個(gè)硬件電路的設(shè)計(jì)。

圖4 控制單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)控制與接入設(shè)備用來實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS之間的通信；IEEE 802.15.4無線通信模塊則用來實(shí)現(xiàn)與節(jié)點(diǎn)控制器之間的通信；核心控制與處理模塊是整個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度中心裝置,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的全局處理、數(shù)據(jù)融合與信息提??；由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集與處理的數(shù)據(jù)量大，需設(shè)置一個(gè)外部存儲(chǔ)器；能量供應(yīng)模塊一般由一些微型電池組成，這些電池主要是為節(jié)點(diǎn)提供能量，本系統(tǒng)可以與路燈采用同一供電電源。

2 軟件設(shè)計(jì)

在管理中心創(chuàng)建一個(gè)WSN數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，庫中數(shù)據(jù)有靜態(tài)數(shù)據(jù)，如節(jié)點(diǎn)位置等；也有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如光強(qiáng)度、溫濕度、煙霧濃度等。數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容通過WSN的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)維護(hù)，管理中心通過WSN數(shù)據(jù)庫發(fā)出結(jié)構(gòu)化查詢語言(structured query language，SQL)查詢命令或SQL查詢請(qǐng)求，這些查詢被“插入”到WSN中，并通過網(wǎng)內(nèi)查詢處理執(zhí)行數(shù)據(jù)收集和查詢結(jié)果計(jì)算，最后查詢結(jié)果通過控制單元從節(jié)點(diǎn)控制器傳送回發(fā)出請(qǐng)求的管理中心。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

白天和夜晚的光照度明顯不同，夜幕降臨時(shí)，光照度傳感器所接收的光通量減少，當(dāng)光通量達(dá)到某一設(shè)定的閾值時(shí),節(jié)點(diǎn)控制器上傳信息，經(jīng)控制單元到達(dá)管理中心，管理中心依此發(fā)布控制指令，路燈開啟。晚間植物園閉園后，路燈只需維持簡(jiǎn)單照明，此時(shí)對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光，亮度可以相對(duì)減弱至一半。凌晨，當(dāng)光照度傳感器采集的光通量到達(dá)另一閾值時(shí)，節(jié)點(diǎn)控制器上傳信息，管理中心發(fā)送指令到控制單元，節(jié)點(diǎn)控制器接收到命令后，關(guān)閉LED燈。因此，依據(jù)不同時(shí)間段對(duì)照明的需求不同，合理地對(duì)LED進(jìn)行調(diào)光，可以達(dá)到節(jié)能的目的，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了照明的智能控制。

水是生物體最重要的組成部分，在以植物為主的植物園中，水分尤為重要，因此要確保植物園中空氣的溫濕度，以保障植物正常生長(zhǎng)。通過溫濕度傳感器，采集空氣溫濕度信息并上傳到管理中心，若空氣溫濕度低于正常狀況，則工作人員及時(shí)組織澆水工作。溫濕度傳感器的工作流程如圖5所示。

圖5 溫濕度傳感器的工作流程圖

若有異常情況發(fā)生火險(xiǎn)時(shí)，可以根據(jù)煙霧傳感器接收的煙霧濃度，判斷火災(zāi)的嚴(yán)重程度以及蔓延情況，及時(shí)掌握煙霧濃度的變化情況，從而給管理部門的救援工作帶來很大幫助。

LED節(jié)能燈不僅能夠滿足正常的照明功能，有效節(jié)約電力資源，還能根據(jù)不同的照明需求提供多樣的控制方案。此外，節(jié)點(diǎn)控制器中加入溫濕度和煙霧傳感器，在滿足植物園照明需求的同時(shí)還可以檢測(cè)環(huán)境參數(shù)，不但能夠?yàn)橹参锾峁┮粋€(gè)良好的生存環(huán)境，而且也起到火情預(yù)警的功能，同時(shí)也減少了多種設(shè)備占地、占資源所造成的資源浪費(fèi)。

2.2 節(jié)點(diǎn)間通信協(xié)議

路由協(xié)議是組網(wǎng)的基礎(chǔ)，它的主要任務(wù)是在節(jié)點(diǎn)控制器和控制單元間建立路由，以可靠地傳遞數(shù)據(jù)。在考慮植物園和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用前提下，本系統(tǒng)中的路由協(xié)議使用低功耗自適應(yīng)聚類路由(low energy adaptive clustering hierarchy，LEACH)協(xié)議[5-7]。

節(jié)點(diǎn)控制器之間的路由通信通過數(shù)據(jù)應(yīng)答和數(shù)據(jù)重發(fā)的握手協(xié)議，確保通信的可靠性。若通信時(shí)發(fā)現(xiàn)某節(jié)點(diǎn)失效,則可跳過此節(jié)點(diǎn)與鄰近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并及時(shí)把該節(jié)點(diǎn)故障狀態(tài)反饋給控制單元。路燈節(jié)點(diǎn)間的通信流程如圖6所示。

圖6 路燈節(jié)點(diǎn)間通信流程圖

在WSN中，無線信道的使用方式是由介質(zhì)訪問控制(media access control，MAC)協(xié)議決定的。單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)資源有限，WSN的強(qiáng)大作用則需要由多個(gè)節(jié)點(diǎn)協(xié)作完成才能實(shí)現(xiàn)，局部范圍內(nèi)的多點(diǎn)通信需要MAC協(xié)議協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)間的無線信道分配。為了能夠使傳感器節(jié)點(diǎn)合理分配通信資源，避免眾多節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)間發(fā)射信號(hào)時(shí)產(chǎn)生碰撞沖突，采用基于固定分配的碼分多址技術(shù)(code division multiple access,CDMA)[4]。

系統(tǒng)使用分布式計(jì)算的定位算法，在傳感器節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行信息交換。定位是WSN重要的技術(shù)，確定傳感器節(jié)點(diǎn)在WSN覆蓋范圍內(nèi)的坐標(biāo)位置，有利于管理中心對(duì)發(fā)生異常狀況時(shí)及時(shí)做出相應(yīng)對(duì)策。

3 結(jié)束語

試驗(yàn)表明，基于ZigBee技術(shù)的植物園智能管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)光照度、空氣溫濕度和煙霧濃度的采集，進(jìn)而起到智能管理監(jiān)測(cè)的作用。在倡導(dǎo)

低碳生活和電力資源綜合利用的今天，處處講究節(jié)約環(huán)保、以人為本。該系統(tǒng)促進(jìn)了植物園的科學(xué)人性化管理，因而具有重要的社會(huì)價(jià)值和廣闊的商業(yè)前景。

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