,2

(華東理工大學(xué)自動(dòng)化系1,上海 200237；化工過(guò)程先進(jìn)控制與優(yōu)化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2,上海 200237)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)[1]、泛在網(wǎng)的蓬勃發(fā)展,如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的有效融合，成為物聯(lián)網(wǎng)、泛在網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵性問(wèn)題。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合就是將各種不同通信模式連接在一起、實(shí)現(xiàn)不同模式通信設(shè)備之間的互聯(lián)互通[2]。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),從屬于物理網(wǎng)及泛在網(wǎng)實(shí)踐應(yīng)用研究的一部分,具有一定的實(shí)踐意義。

本文在空氣質(zhì)量成為社會(huì)熱點(diǎn)的背景下，在多種無(wú)線接入技術(shù)[3]蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)上，提出了基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合構(gòu)建空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。分別從硬件和軟件方面進(jìn)行研究，主要對(duì)空氣中CO2濃度、CO濃度、溫度及濕度進(jìn)行分析，闡述了空氣質(zhì)量檢測(cè)終端、嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)

由于空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集和地理環(huán)境具有不確定性，而且對(duì)空氣質(zhì)量的檢測(cè)也具有長(zhǎng)期性,因此，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、布線、能耗及可靠性需要首先得到滿足。此外，從經(jīng)濟(jì)上考慮，我們盡量選擇成本低且能較好完成檢測(cè)任務(wù)的技術(shù)。鑒于此，選用了ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)[4]具有以下特點(diǎn)。

① 無(wú)線傳輸：可以省去布線的麻煩，節(jié)約成本。

② 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延短：一般從睡眠切換為工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點(diǎn)連接入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms。相比較，WiFi需要3 s，而藍(lán)牙需要3～10 s。

③ 模塊功耗低:配備10 Ah電池的ZigBee水表，可工作8年。

④ 可靠性好:采用碰撞避免機(jī)制，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。

⑤ 成本低:ZigBee模塊工作于2.4 GHz全球免費(fèi)頻段，只需要支付前期模塊費(fèi)用，不用支付以后使用的費(fèi)用。

顯然，ZigBee技術(shù)非常符合我們所提出的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的要求，采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集及發(fā)送，就可以解決布線、供能、實(shí)時(shí)性、可靠性及成本問(wèn)題,以應(yīng)對(duì)不同的地理環(huán)境。

1.2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)

考慮到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)處理能力有限，需要利用外部網(wǎng)絡(luò)中的資源對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行更復(fù)雜的處理；同時(shí)，其他網(wǎng)絡(luò)用戶也需要對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問(wèn)，以得到監(jiān)測(cè)區(qū)域的空氣質(zhì)量信息?？紤]到WiFi技術(shù)普遍受到移動(dòng)終端的支持，高速率、頻帶免收費(fèi)、投資低，且易于與其他網(wǎng)絡(luò)融合構(gòu)建更大的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，符合網(wǎng)絡(luò)向泛在網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。因此，采用WiFi技術(shù)構(gòu)建檢測(cè)系統(tǒng)的外部網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的處理與顯示。

1.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由若干ZigBee檢測(cè)終端、嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)及遠(yuǎn)程監(jiān)控終端組成。ZigBee檢測(cè)終端完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集及向嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)發(fā)送；嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)構(gòu)成ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁[5]；遠(yuǎn)程監(jiān)控終端從無(wú)線網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù),在Qt界面上以柱狀圖的形式直觀顯示現(xiàn)場(chǎng)空氣質(zhì)量。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集ZigBee終端設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集ZigBee終端由CC2530EM核心板模塊、傳感器模塊、LED指示電路、電源電路等組成,完成現(xiàn)場(chǎng)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集及發(fā)送。

CC2530EM核心板模塊, 采用德州儀器(TI)的ZigBee射頻芯片CC2530-F256,片上集成高性能、低功耗8051內(nèi)核、12 bit ADC、2個(gè)USART以及DMA功能等,支持ZigBee 2007/Pro協(xié)議棧。

CO2傳感器選用的是韓國(guó)SOHA公司進(jìn)口的雙光束紅外二氧化碳傳感器模塊，SH-300-N量程為0～3 000×10-6，與CC2530EM核心板模塊的P0.0口連接。

CO傳感器選用的是由日本NEMOTO公司生產(chǎn)的型號(hào)為NE-CO-BL的一氧化碳電化學(xué)傳感器，與CC2530EM核心板模塊的P0.1口連接。

空氣質(zhì)量傳感器是一款對(duì)空氣中的多種有毒或可燃?xì)怏w都具有一定的靈敏性的半導(dǎo)體氣體傳感器，其型號(hào)為QS-01,與CC2530EM核心板模塊的P0.2口連接。

濕度傳感器選用的是美國(guó)Honeywell公司生產(chǎn)的集成濕度傳感器，其型號(hào)為H- 4000-003，量程為0～100%RH，與CC2530EM核心板模塊的P0.3口連接。

溫度傳感器選用的是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，型號(hào)為DS18B20的數(shù)字式溫度傳感器。傳感器測(cè)量范圍為-55～+125 ℃，精度為±0.5 K,與CC2530EM核心板模塊的P0.5口連接。CC2530EM核心板模塊電路如圖2所示。

圖2 CC2530EM核心板模塊電路圖

2.2 嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

圖3 嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)圖

嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)可以看成是銜接ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的橋梁。它以S3C6410嵌入式微處理器為中心,由CC2530 ZigBee收發(fā)模塊、雷凌WiFi模塊及觸摸顯示屏等共同組成。其中，S3C6410嵌入式微處理器完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、任務(wù)調(diào)度、設(shè)備管理及界面顯示等任務(wù)。 CC2530 ZigBee收發(fā)模塊主要完成ZigBee終端的數(shù)據(jù)接收。雷凌WiFi模塊具備軟接入點(diǎn)AP(access point)的功能，可以將嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)切換至AP模式[6],通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)處監(jiān)控終端[7]。觸摸顯示屏可以直觀顯示空氣質(zhì)量狀況,從而可以在空氣質(zhì)量狀態(tài)不好的情況下迅速采取必要的措施。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 WiFi驅(qū)動(dòng)移植

由于本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要使用WiFi模塊,但是Linux內(nèi)核本身并不提供該驅(qū)動(dòng),那么要先進(jìn)行WiFi驅(qū)動(dòng)移植，并下載最新的WiFi驅(qū)動(dòng),在虛擬機(jī)下編譯生成能夠在OK6410開(kāi)發(fā)板下安裝的模塊文件。

使用飛凌提供的Linux-3.0.1內(nèi)核源碼，解壓放在指定的目錄下面,并且修改其Makefile文件,重新指定編譯器及目標(biāo)平臺(tái);然后在該目錄下執(zhí)行make menuconfig命令,指定以模塊的形式加載驅(qū)動(dòng)在Device Drivers-->Network Device Support-->Wireless LAN下,將Ralink Driver Support選為M。重新編譯內(nèi)核,生成zImage,通過(guò)bootloader燒寫到開(kāi)發(fā)板的Nandflash中[8]。

3.2 Qt下 UDP Socket編程

3.2.1 Qt介紹及應(yīng)用

Qt是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者提供建立藝術(shù)級(jí)圖形用戶界面所需的所用功能,并且很容易擴(kuò)展允許組件編程。

為了給用戶呈現(xiàn)良好的操作界面，需要移植Qt到嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。嵌入式無(wú)線網(wǎng)關(guān)下Qt程序?qū)崿F(xiàn)從協(xié)調(diào)器中讀取數(shù)據(jù)、在Qt界面中顯示并且轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端。遠(yuǎn)程終端Qt程序?qū)崿F(xiàn)從無(wú)線網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)并且在Qt界面顯示[9]。

在Qt中，提供了QUdpSocket類來(lái)進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議[10](user datagram protocol,UDP)數(shù)據(jù)報(bào)的發(fā)送和接收。網(wǎng)關(guān)向遠(yuǎn)程監(jiān)控終端發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)可以看做客戶端，而遠(yuǎn)程監(jiān)控終端可以看做服務(wù)端。Qt程序運(yùn)行后，客戶端從協(xié)調(diào)器獲得有效數(shù)據(jù),向廣播地址和指定的端口號(hào)廣播要發(fā)送的數(shù)據(jù)，而服務(wù)器端監(jiān)聽(tīng)廣播地址和相應(yīng)的端口號(hào)。當(dāng)有數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí),就接收數(shù)據(jù)并且通過(guò)檢驗(yàn)碼校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確。下面分別從服務(wù)器端Qt程序和客戶端Qt分析WiFi網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)收發(fā)過(guò)程。

3.2.2 主要功能函數(shù)介紹

① connect( )函數(shù)

原型:bool QObject::connect(const QObject * sender,const char * signal,constQObject * receiver,const char * member)

功能:信號(hào)發(fā)送者sender對(duì)象中的信號(hào)signal與接收者receiver中的member槽函數(shù)聯(lián)系起來(lái)。當(dāng)指定信號(hào)signal時(shí),必須使用宏SIGNAL( );當(dāng)指定槽函數(shù)時(shí),必須使用宏SLOT( )。如果發(fā)送者和接收者屬于一個(gè)對(duì)象，那么在connect調(diào)用中接收者可以忽略。

② bind( )函數(shù)

原型：bool QUdpSocket::bind (const QHostAddress & address, quint16 port, BindMode mode)

功能：將套接字綁定到指定的IP地址和端口號(hào)，當(dāng)UDP數(shù)據(jù)包到來(lái)時(shí)觸發(fā)readyRead信息。

③ writeDatagram( )函數(shù)

原型：qint64 QUdpSocket::writeDatagram (const QByteArray & datagram, const QHostAddress & host, quint16 port)

功能：向指定IP的端口號(hào)寫入數(shù)據(jù)。寫入成功，則返回寫入的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；失敗，則返回-1。

3.3 UDP協(xié)議及Socket網(wǎng)絡(luò)編程

UDP主要用來(lái)支持需要在計(jì)算機(jī)之間傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。UDP協(xié)議與TCP(傳輸控制協(xié)議)協(xié)議一樣，位于IP(網(wǎng)際協(xié)議)協(xié)議的頂層，都屬于傳輸層協(xié)議。UDP是一個(gè)面向數(shù)據(jù)報(bào)和無(wú)連接的簡(jiǎn)單傳輸層協(xié)議。它不像TCP那樣通過(guò)握手過(guò)程建立服務(wù)器與客戶端的連接才可以工作，避免占用大量的系統(tǒng)開(kāi)銷，使速度受到嚴(yán)重的影響。

Linux系統(tǒng)是通過(guò)套接字結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程的，應(yīng)用程序通過(guò)對(duì)套接字的幾個(gè)函數(shù)調(diào)用，會(huì)返回一個(gè)用于通信的套接字描述符。Linux應(yīng)用程序在進(jìn)行任何形式的I/O操作時(shí)，程序?qū)嶋H上是在讀寫一個(gè)文件描述符。因此,Linux下的套接字編程，可以看成是對(duì)普通文件描述符的操作，這些操作與被使用的硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)，這是Linux設(shè)備無(wú)關(guān)性的優(yōu)點(diǎn)。

3.4 客戶端程序

客戶端程序分析如下。

① 使用第三方寫的qextserialport類,完成串口參數(shù)設(shè)置以及打開(kāi)，主要使用下面4個(gè)文件。

qextserialbase.cpp和qextserialbase.h以及posix_qextserialport.cpp和posix_qextserial.h。

串口設(shè)置程序如下。

myCom = new Posix_QextSerialPort("/dev/ttySAC3",

QextSerialBase::Polling);

myCom ->open(QIODevice::ReadWrite);

//以讀寫方式打開(kāi)串口

myCom->setBaudRate(BAUD9600);

//波特率設(shè)置為9 600 bit/s

myCom->setDataBits(DATA_8);

//數(shù)據(jù)位設(shè)置為8位

myCom->setParity(PAR_NONE);

//奇偶校驗(yàn)設(shè)置為無(wú)校驗(yàn)

myCom->setStopBits(STOP_1);

//停止位設(shè)置為1位

myCom->setFlowControl(FLOW_OFF);

//數(shù)據(jù)流控制設(shè)置為無(wú)數(shù)據(jù)流

myCom->setTimeout(200);

② UDP Socket定義使用QUdpSocket類

udpSocket=new QUdpSocket(this);

③ 定時(shí)讀取串口使用connect 函數(shù)，在程序中，定時(shí)器每次定時(shí)時(shí)間到就觸發(fā)timeout信號(hào)，然后去執(zhí)行關(guān)聯(lián)的讀取串口的槽函數(shù)。

④ 客戶端使用writeDatagram函數(shù)向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)。

客戶端流程圖如圖4所示。

圖4 客戶端程序流程圖

3.5 服務(wù)器端程序

服務(wù)器端流程圖如圖5所示。

圖5 服務(wù)器端流程圖

服務(wù)器端程序分析如下。

① 使用bind函數(shù)將套接字綁定到客戶端指定的IP地址和端口,當(dāng)UDP報(bào)文到達(dá)就會(huì)觸發(fā)readyRead信號(hào)。然后使用信號(hào)與槽函數(shù)connect,當(dāng)readyRead信號(hào)觸發(fā)，便執(zhí)行讀取數(shù)據(jù)的槽函數(shù)。

② 按照數(shù)據(jù)格式,經(jīng)過(guò)處理,提取出CO濃度、CO2濃度、空氣質(zhì)量、溫度、濕度數(shù)據(jù),在Qt界面顯示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的空氣質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng),采用ZigBee技術(shù)組成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集,WiFi技術(shù)完成數(shù)據(jù)向監(jiān)控終端發(fā)送。在硬件方面設(shè)計(jì)了嵌入式網(wǎng)關(guān)，構(gòu)建了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的橋梁。在軟件方面，實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)包與TCP/IP協(xié)議包數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，并且完成數(shù)據(jù)處理與在Qt用戶界面顯示。系統(tǒng)完成了ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)融合，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連互通，在一定程度上為構(gòu)建泛在傳感網(wǎng)提供了參考。整個(gè)系統(tǒng)具有功耗低、移動(dòng)性強(qiáng)、人機(jī)界面美觀、復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn),且空氣質(zhì)量與人體健康息息相關(guān),因此該系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。

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