彭連滔，馮錫煒，馮瑤

（遼寧石油化工大學(xué)計算機與通信工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，水質(zhì)的污染和破壞問題日趨嚴(yán)重，著眼于社會所需，我們研究了基于ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，為水質(zhì)保駕護航。

水質(zhì)污染問題刻不容緩，城市飲水主要是通過自來水，其中的安全隱患不容忽視，所以需要一種能隨時監(jiān)測水質(zhì)變化的設(shè)備系統(tǒng)。論文探討構(gòu)建基于ZigBee技術(shù)的自來水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)，重點是ZigBee網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)wifi和轉(zhuǎn)USB的協(xié)議轉(zhuǎn)換。上位機監(jiān)控功能中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)實時接收、顯示以及歷史數(shù)據(jù)查詢，對超閾值數(shù)據(jù)，報警提示。

1 物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)具有自組網(wǎng)，低功耗，延時小，多跳的特點，適用于長時間組網(wǎng)監(jiān)測。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有3種設(shè)備，協(xié)調(diào)器（Co_ordinator）為全功能節(jié)點（FFD），負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只能有一個協(xié)調(diào)器，相當(dāng)于蜂群結(jié)構(gòu)中的蜂后，當(dāng)網(wǎng)路建立完成后，協(xié)調(diào)器的功能相當(dāng)于普通路由器（Router）。路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的路由跳轉(zhuǎn)，能夠?qū)⑾l(fā)給其他j節(jié)點設(shè)備。終端節(jié)點（End device）負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。以上3種設(shè)備可以分為全功能節(jié)點（FFD）和半功能節(jié)點（RFD）[1]。

每個節(jié)點具有兩個地址：

1）IEEE MAC地址

這是一種64位的地址，這個地址由IEEE組織進行分配，用于唯一的標(biāo)識設(shè)備，全球沒有任何兩個設(shè)備具有相同的MAC地址。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，有時也叫MAC地址為擴展地址。

2）16位短地址

16位短地址用于在本地網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)識設(shè)備，和在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)，所以如果是處于不同的網(wǎng)絡(luò)中有可能具有相同的短地址。當(dāng)一個節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的時候?qū)⒂伤母腹?jié)點給它分配短地址，協(xié)調(diào)器的短地址是0。

ZigBee網(wǎng)路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要為星狀（star），樹狀（Cluster_tree），網(wǎng)格（mesh），其中星狀網(wǎng)絡(luò)不支持ZigBee路由器。不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用用于不同的使用環(huán)境。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于ZigBee的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)可以對水質(zhì)進行實時的監(jiān)控，整個系統(tǒng)由下位機監(jiān)測網(wǎng)和上位機軟件組成，下位機監(jiān)測網(wǎng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，和數(shù)據(jù)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)上的傳輸。上位機軟件負(fù)責(zé)對來自監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲，數(shù)理統(tǒng)計，水質(zhì)參數(shù)超標(biāo)實時報警，和設(shè)備運行狀況的檢查。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)的下位機

下位機部分由一個ZigBee轉(zhuǎn)WiFi網(wǎng)關(guān)或一個ZigBee轉(zhuǎn)USB基站，2個PH采集節(jié)點，一個溫度采集節(jié)點組成。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 The architecture of the system

所有節(jié)點內(nèi)嵌ZigBee通訊模塊，在節(jié)點的通訊模塊中，燒寫了ZigBee協(xié)議棧的移植版，所有節(jié)點上電即進行自組網(wǎng)，進行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。通過AT命令來指定協(xié)調(diào)器，路由器，和終端節(jié)點，以及節(jié)點的相關(guān)參數(shù)。當(dāng)?shù)綦姇r，能進行參數(shù)的保存。其下位采集器采用STM32，該款CPU采用的是ARM的cortex-M3內(nèi)核。其具有出色的實時性能、優(yōu)越的功效、高級的創(chuàng)新型的外設(shè)、最大的集成性。CPU工作頻率最高達到72 MHz。AD采集精度為12位，充分保證了采集傳感器的精度。

ZigBee通信具有通信穩(wěn)定的優(yōu)點[2]。增加的無線功率放大器PA可以一定意義上克服ZigBee通信距離短的問題，使得節(jié)點通信距離可以達到幾千米，最大限度的保證了通信的穩(wěn)定可靠和通信距離。圖2和圖3分別描述了ZigBee節(jié)點接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖。

圖3 ZigBee節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)Fig.3 ZigBee nodes send data

在下位機與PC機的銜接部分，筆記本可以用WiFi網(wǎng)關(guān)或ZigBee轉(zhuǎn)USB基站來接收數(shù)據(jù)，對于臺式機可以直接用ZigBee轉(zhuǎn)USB基站來接收。

4 水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)的上位機

上位機界面采用C#編程，開發(fā)工具為vs2012，數(shù)據(jù)庫為SQL Server。

4.1 W IFI網(wǎng)關(guān)接收模式

當(dāng)啟用WIFI網(wǎng)關(guān)[3-4]接受模式時，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用TCP，相比UDP穩(wěn)定[5]，用socket套接字來連接PC機與WIFI網(wǎng)關(guān)。

當(dāng)上位機軟件啟動時，上位機首先創(chuàng)線thwatchport=new Thread（listening）；用來監(jiān)視，WiFi網(wǎng)關(guān)是否與PC機相連，若沒有，則繼續(xù)監(jiān)聽。當(dāng)連接完成時，軟件創(chuàng)建另一線程threcive=new Thread（autorecive），用于接收WiFi網(wǎng)關(guān)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并隨時將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中。

由于第一個線程不斷循環(huán)查詢，當(dāng)WiFi網(wǎng)關(guān)斷開，能保證WiFi網(wǎng)關(guān)重連時的成功，而不必重啟軟件。保證了系統(tǒng)的容錯率和健壯性。

偽代碼描敘如下：

Begin：IPEndPoint ipendpoint=new IPEndPoint（ip，port）；

welcomesocket=new Socket（AddressFamily.InterNetwork，SocketType.Stream，ProtocolType.Tcp）；

welcomesocket.Bind（ipendpoint）；//綁定IP

welcomesocket.Listen（16）；

thwatchport=new Thread（listening）；//創(chuàng)建監(jiān)聽線程

thwatchport.Start（）；

listening（）//監(jiān)聽函數(shù)

{try

{Do while（true）

reciveSocket=welcomesocket.Accept（）；//連接

threcive=new Thread（autorecive）；//創(chuàng)建接收線程

threcive.Start（）；

endwhile

}

catch（ex）{print（ex.toString（）；}

}

void autorecive（）//接收函數(shù)

{StringBuilder strRecive=new StringBuilder（）；

String strtemp=""；

Byte[]byterecieve=new Byte[1024*1024]；ncount=0；

sqloperate=new ServerSQL（）；

do while（true）

{try{

if（reciveSocket==null）break；

ncount=reciveSocket.Receive（byterecieve）；//接收數(shù)據(jù)到緩存

strtemp=Encoding.Default.GetString（byterecieve，0，ncount）；

strRecive.Append（strtemp）；

{//解析接收到的數(shù)據(jù)包

//判斷設(shè)備狀態(tài)，以及水質(zhì)參數(shù)是否超標(biāo)，如有異常，立即報警//數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫

}

}

}catch（ex）//捕獲異常

{ncounterror++；

if ncounterror==5

print（"請檢查網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)已斷開"）；threcive.Abort（）；

endif

}

}endwhile

}

End

運行結(jié)果圖：

4.2 ZigBee轉(zhuǎn)USB模式

對于臺式PC機，用WiFi網(wǎng)關(guān)接收模式固然可行，對于ZigBee網(wǎng)關(guān)與上位機物理距離較短時，還有另一種接收模式——ZigBee轉(zhuǎn)USB模模式。只要將USB一端插入臺式機的USB口，當(dāng)上位機軟開啟時便可以接收數(shù)據(jù)。

USB接受方式的編程實現(xiàn)，采用的是serialPort控件[6]，直接采用事件觸發(fā)的方式。

偽代碼描敘如下：

Begin:

serialPortAccess.DataReceived+=new System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventHandler（autorecive）；//將事件委托函數(shù)處理

autorecive（object sender，System.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs e）

{

sqloperate=new ServerSQL（）；

String readdata=""；

StringBuilder strRecive=new StringBuilder（）；

try

{

圖4 無線網(wǎng)絡(luò)接收方式監(jiān)控界面Fig.4 Wireless network receiving modemonitoring interface

readdata=serialPortAccess.ReadExisting（）；//接收數(shù)據(jù)

strRecive.Append（readdata）；

{

//解析接收到的數(shù)據(jù)包

//判斷設(shè)備狀態(tài)，以及水質(zhì)參數(shù)是否超標(biāo)，如有異常，立即報警

//數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫

}

}

catch（Exception ex）print（ex.ToString（））；

}

End

運行結(jié)果圖：

圖5 串口接收方式監(jiān)控界面Fig.5 Serialport receiving modemonitoring interface

線程和事件觸發(fā)方式，和定時器定時接收方式相比，能保證數(shù)據(jù)的隨到隨收，無數(shù)據(jù)包遺漏現(xiàn)象。

對于數(shù)據(jù)的處理，可以按時間查詢，并將查詢到的數(shù)據(jù)進行普通的數(shù)理統(tǒng)計，如計算平均數(shù)，超標(biāo)次數(shù)，并且能將數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計結(jié)果導(dǎo)出生成Excel文件，方便用戶進一步分析調(diào)研。

此外，上位機軟件具有良好的用戶界面，與異常處理，方便用戶操作與使用，接收界面使用動態(tài)GIF圖片制作，如圖2，第一個蘋果表示等待連接，第二個蘋果表示已連接成功，正在接收數(shù)據(jù)，當(dāng)WIFI網(wǎng)關(guān)掉線時，第二個蘋果停止動態(tài)顯示，方便用戶動態(tài)感覺數(shù)據(jù)接收正在進行，當(dāng)數(shù)值超標(biāo)時，或設(shè)備電壓不足時，軟件亦能及時彈出報警窗口。

5結(jié)論

基于ZigBee的自來水監(jiān)測網(wǎng)能有效對自來水水質(zhì)進行實時監(jiān)測，設(shè)計實現(xiàn)了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，完成了傳感器數(shù)據(jù)采集、傳輸、查詢顯示以及報警等系統(tǒng)功能。通過網(wǎng)絡(luò)傳輸傳感器的數(shù)據(jù)采用兩種方式：WiFi網(wǎng)關(guān)的socket方式和ZigBee轉(zhuǎn)USB的serialPort方式。兩種方式都能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸?shù)膶崟r接收，基于線程的socket，使用了線程輪轉(zhuǎn)循環(huán)的方式，能有效防止WiFi網(wǎng)關(guān)掉線，并提醒用戶。此時接收線程threcieve終止，監(jiān)聽線程thwatchport依舊循環(huán)，等待WiFi網(wǎng)關(guān)重新連接。

下一階段工作的重點，圍繞完善系統(tǒng)功能和擴展系統(tǒng)應(yīng)用展開：

對于下位機網(wǎng)絡(luò)，采集節(jié)點數(shù)目不夠多，參數(shù)種類也不夠豐富。在PANID，信道，和數(shù)據(jù)包一致的情況下，可以不斷加入新的節(jié)點，增加下位機網(wǎng)絡(luò)的功能。

對于數(shù)據(jù)傳輸，利用GPRS網(wǎng)[7]，通過GPRS短信直接通知水質(zhì)超標(biāo)等情況，亦可以將ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)為3G或4G網(wǎng)絡(luò)[8]，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞阶兊渺`活多樣。

在上位機功能部分，豐富數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計方式，添加系統(tǒng)日志管理，改進異常情況的友好提示等。豐富客戶端的操作平臺，延伸至Web方式，以及基于移動終端的App應(yīng)用。對于已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)，可以進行數(shù)據(jù)挖掘，和大數(shù)據(jù)運算，研究當(dāng)?shù)亟?jīng)濟，生活的狀態(tài)。

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