寧菲菲，任洪慶

（平頂山學(xué)院軟件學(xué)院，平頂山467000）

基于ZigBee和TAG數(shù)據(jù)融合的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)?

寧菲菲，任洪慶

（平頂山學(xué)院軟件學(xué)院，平頂山467000）

針對目前生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作智能化水平低、實時監(jiān)管能力差等問題，設(shè)計了一個生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用以CC2530芯片為核心的傳感器節(jié)點，構(gòu)建基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的生態(tài)數(shù)據(jù)信息進行自動采集和傳送，然后經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至中央監(jiān)控中心進行存儲顯示。系統(tǒng)實現(xiàn)了對生態(tài)數(shù)據(jù)的實時遠程查看和管控，同時，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)采用基于TAG算法的數(shù)據(jù)融合策略。模擬結(jié)果表明：該數(shù)據(jù)融合策略的應(yīng)用有效減少了網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量，從而達到降低節(jié)點能耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命期的目的。

ZigBee協(xié)議；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；TAG算法；數(shù)據(jù)融合；CC2530芯片；生態(tài)環(huán)境監(jiān)測

1 引 言

目前生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作主要存在以下問題：①生態(tài)數(shù)據(jù)的采集工作通常由人工定期完成，工作量大且效率較低；部分通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布線組網(wǎng)以實現(xiàn)傳感器模塊與數(shù)據(jù)采集模塊的通信，但組網(wǎng)復(fù)雜且成本較高，而且受地理環(huán)境等因素的制約較大；②人工進行數(shù)據(jù)采集所能覆蓋到的區(qū)域有限并且數(shù)據(jù)采集工作往往只能在白天進行，這也就無法確保監(jiān)測工作的完整性和準確性［1］。

針對以上問題，提出了將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮ZigBee技術(shù)低功耗、低成本以及組網(wǎng)靈活的特點，設(shè)計了一種可進行實時遠程管理的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式傳送到中央監(jiān)控中心，實現(xiàn)了對光照強度、土壤PH值和溫濕度等生態(tài)數(shù)據(jù)的遠程采集和監(jiān)控分析。同時，采用基于TAG算法的數(shù)據(jù)融合策略對節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)進行處理，剔除感知信息中的冗余數(shù)據(jù)，在得到有效數(shù)據(jù)的前提下，減少網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量，從而相應(yīng)減少了數(shù)據(jù)傳輸過程中可能產(chǎn)生的碰撞及網(wǎng)絡(luò)擁塞，平衡網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各節(jié)點的能量消耗，以達到延長網(wǎng)絡(luò)生命期的目的。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

為了實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境信息的遠程監(jiān)測與管理，提出一個基于ZigBee芯片CC2530的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。系統(tǒng)由中央監(jiān)控中心、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成，其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由采集器、路由器和帶GPRS功能的協(xié)調(diào)器三類節(jié)點組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用層次型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)進行劃分，形成若干個簇。每個簇包含一個簇頭和多個簇成員節(jié)點，簇頭節(jié)點負責(zé)管理簇成員節(jié)點并將簇成員節(jié)點所轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)通過多跳方式發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

整個監(jiān)測系統(tǒng)從邏輯結(jié)構(gòu)上劃分為數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)接收與存儲和數(shù)據(jù)顯示與管理三大子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)組成。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的采集器節(jié)點實現(xiàn)對生態(tài)數(shù)據(jù)信息的采集，信息經(jīng)由路由器節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)匯總至協(xié)調(diào)器節(jié)點，最終經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至中央監(jiān)控中心。

數(shù)據(jù)接收與存儲子系統(tǒng)由部署在中央監(jiān)控中心的MySQL Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和運行在該服務(wù)器上的數(shù)據(jù)接收存儲程序組成。該程序通過監(jiān)聽指定端口，判斷并識別數(shù)據(jù)采集終端發(fā)出的TCP Socket連接請求，如屬于合法數(shù)據(jù)則進行接收并存入數(shù)據(jù)庫［2］。

數(shù)據(jù)顯示與管理子系統(tǒng)是運行在中央監(jiān)控中心Web服務(wù)器上的一套網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。管理人員通過訪問該應(yīng)用程序即可實現(xiàn)對生態(tài)信息的實時查看、歷史查詢、數(shù)據(jù)下載及分析等功能。由于數(shù)據(jù)接收與存儲子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示與管理子系統(tǒng)不是此次研究的重點，在這里不做過多介紹。

在實際應(yīng)用中，中央監(jiān)控中心可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主動發(fā)送工作命令，如采集某一局部區(qū)域的生態(tài)數(shù)據(jù)信息等。命令先后經(jīng)由協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點下達至采集器節(jié)點，采集器按照命令要求進行數(shù)據(jù)采集和上傳，中央監(jiān)控中心接收并存儲數(shù)據(jù)，以便工作人員隨時對生態(tài)數(shù)據(jù)信息進行查看分析。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器和采集器三類節(jié)點以及中央監(jiān)控中心。三類節(jié)點的處理器模塊均采用TI公司的低功耗片上系統(tǒng)CC2530芯片。CC2530芯片是美國TI公司推出的完整的2.4GHz射頻片上系統(tǒng)解決方案，芯片內(nèi)部集成了一個高性能的射頻收發(fā)器、8KB RAM和一個8051微處理器，支持連接其他外部設(shè)備［3］。由于CC2530本身的發(fā)射功率較小，實測通信距離最遠僅達200m左右［4］。為了滿足實際應(yīng)用需要，有效擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，本設(shè)計在CC2530芯片的基礎(chǔ)上外加射頻前端芯片CC2591，用來放大輸出功率。CC2591是TI公司推出的一款工作在2.4GHz、高性能、低功耗射頻前端芯片［5］。測試表明，采用CC2530外加CC2591后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信距離可達500m以上。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設(shè)計

在整個系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點不僅要在初始化后負責(zé)組建本區(qū)域的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而且要匯總上傳路由器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息、下發(fā)中央監(jiān)控中心的命令。從硬件結(jié)構(gòu)上講，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要由處理器模塊、射頻前端、GPRS模塊、電源模塊、天線和相關(guān)外部接口等組成。其中，處理器模塊和射頻前端分別采用CC2530和CC2591芯片。外部接口模塊主要包含有串行接口、JTAG調(diào)試接口及USB接口。GPRS模塊利用SIM卡提供GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點和中央監(jiān)控中心的通信。由于經(jīng)由協(xié)調(diào)器節(jié)點傳輸?shù)男畔⒘看?，故其耗電量也很大，因此?jié)點的電源模塊采用太陽能電池板加穩(wěn)壓電路供電的方式，以確保其穩(wěn)定持續(xù)地工作。協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 路由器節(jié)點的硬件設(shè)計

路由器節(jié)點負責(zé)將簇頭節(jié)點收集的信息上傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點或接收中央監(jiān)控中心發(fā)送的命令并最終下達至采集器節(jié)點。路由器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)主要由CC2530芯片、CC2591射頻前端和電源模塊組成?；谀芎牡目紤]，路由器節(jié)點的電源模塊同樣采用太陽能電池板加穩(wěn)壓電路供電的方式。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 路由器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

3.3 采集器節(jié)點硬件設(shè)計

監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的光照強度、溫濕度和土壤PH值等生態(tài)信息的采集由網(wǎng)絡(luò)中的采集器節(jié)點負責(zé)完成。采集器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)主要由傳感器模塊、處理器模塊、射頻模塊、電源模塊和JTAG調(diào)試接口組成。其中，傳感器模塊包含有ISL29010數(shù)字型光照強度傳感器、SHT11數(shù)字型大氣溫濕度傳感器、JASP2801土壤PH值傳感器、JST－100土壤溫度傳感器和JSH－100土壤濕度傳感器。節(jié)點的處理器模塊和射頻模塊則采用CC2530芯片外接CC2591射頻前端的結(jié)構(gòu)。CC2530芯片內(nèi)部集成的8051微控制器使得節(jié)點的傳感器模塊可直接與CC2530相連并執(zhí)行數(shù)據(jù)處理和通信。由于CC2530在工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)下的流耗分別為24mA和1μA，因此，可通過對CC2530內(nèi)部定時器進行設(shè)置使其交替工作在休眠/喚醒狀態(tài)，使得CC2530的可持續(xù)工作時間最長可達500天［6］，因此節(jié)點的電源模塊選擇采用普通電池供電。CMOS攝像頭完成對監(jiān)測區(qū)域的圖像信息采集并通過USB接口將信息傳給CC2530芯片。采集器的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 采集器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

3.4 中央監(jiān)控中心

中央監(jiān)控中心是基于Windows XP系統(tǒng)的普通PC機。中央監(jiān)控中心的設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)接收與存儲模塊和數(shù)據(jù)顯示與管理模塊。

4 數(shù)據(jù)融合策略

與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點電池和存儲能量、處理能力以及通信帶寬等資源都非常有限。為了增強整個網(wǎng)絡(luò)所能獲得信息的魯棒性和準確性，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)放置傳感器節(jié)點時往往使節(jié)點的感應(yīng)范圍互相交疊，這也導(dǎo)致節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)存在一定程度的冗余。如果對這些數(shù)據(jù)不加處理直接在網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸，勢必造成部分數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)負載就會隨之增加。數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸不僅會消耗節(jié)點能量，而且也會引起無線通信的帶寬擁擠、導(dǎo)致由信道協(xié)商或競爭過程而產(chǎn)生的能耗增大。實驗表明，傳感器節(jié)點的能量主要消耗在無線通信模塊，將1bit信息傳輸100m的距離所消耗的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行3000條計算指令消耗的能量［7］。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將節(jié)點采集到的信息進行融合處理，從而減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，達到降低網(wǎng)絡(luò)能耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命期的目的。

文中對數(shù)據(jù)融合的研究建立在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用層次型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上。為了確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量的高效平衡，筆者在傳感器節(jié)點自身和簇內(nèi)采用不同的數(shù)據(jù)融合策略，融合時機則主要考慮周期性數(shù)據(jù)回傳應(yīng)用模型。

4.1 傳感器節(jié)點融合算法

由于生態(tài)環(huán)境的變化是一個長期而緩慢的過程，因此，一個傳感器節(jié)點在一段時間內(nèi)所采集到的數(shù)據(jù)將存在大量冗余。節(jié)點自身首先對采集到的數(shù)據(jù)進行初步處理，刪除差異度較小的數(shù)據(jù)，從而降低同一節(jié)點在一段時間內(nèi)所采集到的數(shù)據(jù)冗余度。

節(jié)點內(nèi)部運用公式（1）判定是否記錄節(jié)點當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)n。只有當(dāng)節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)n與其上次記錄的數(shù)據(jù)r（t－1）的差異度大于某一閾值λ時，才將當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)n記錄為r（t）。

4.2 簇內(nèi)融合算法

由于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)相鄰傳感器節(jié)點的感應(yīng)范圍往往互相交疊，因此，簇內(nèi)不同成員節(jié)點所采集到的信息也存在一定程度的冗余。在簇內(nèi)運用基于TAG算法［8］的數(shù)據(jù)融合策略將來自不同簇成員節(jié)點的信息進行融合處理，以降低同一時間處于不同地理位置的簇成員節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)冗余度。

圖5給出了采用TAG算法形成的數(shù)據(jù)融合樹，對簇內(nèi)傳感器節(jié)點所采集到的土壤PH值和土壤濕度值進行數(shù)據(jù)融合處理。

圖5 數(shù)據(jù)融合樹

步驟1根據(jù)各節(jié)點所采集到的土壤PH值對簇成員節(jié)點進行分組。

步驟2運用公式（2）判定是否傳送葉子節(jié)點當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)n至父親節(jié)點。如果葉子節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)n與其上次記錄的數(shù)據(jù)r（t－1）無顯著差異時，僅發(fā)送狀態(tài)字通知父親節(jié)點。只有當(dāng)二者差異度大于某一閾值λ時，才將葉子節(jié)點當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)n記錄為r（t）并向上傳送至父親節(jié)點。

步驟3當(dāng)父親節(jié)點收到來自葉子節(jié)點的數(shù)據(jù)后，首先檢查葉子節(jié)點的分組號，如果葉子節(jié)點與父親節(jié)點的分組號相同，父親節(jié)點則根據(jù)融合函數(shù)AVG對土壤濕度值進行平均值計算。如果兩者的分組號不同，父親節(jié)點將保存葉子節(jié)點該組別的信息并繼續(xù)向上傳至父親節(jié)點。以此類推，直至到達數(shù)據(jù)融合樹的根節(jié)點為止。

4.3 性能評價

為了評估在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)應(yīng)用基于TAG算法的數(shù)據(jù)融合策略的性能，在Windows XP操作系統(tǒng)下采用C＋＋語言編程進行模擬實驗，運行環(huán)境為Visual C＋＋6.0。在實驗中，模擬監(jiān)測區(qū)域為400m×400m，傳感器節(jié)點的感應(yīng)半徑和通信半徑分別為10m和20m。

使用網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量作為評價該策略性能的指標。圖6中，縱坐標表示網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸率。

圖6 融合前后節(jié)點數(shù)目與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量關(guān)系對比圖

從圖6可見：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)目從10個增加到60個時，在未采用數(shù)據(jù)融合策略的情況下，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量從5KB增加到了120KB，而在采用了基于TAG算法的數(shù)據(jù)融合策略后，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量從3KB增加到了55KB，數(shù)據(jù)傳輸量僅為融合前的1/2。

5 結(jié)束語

在調(diào)研生態(tài)環(huán)境監(jiān)測工作的應(yīng)用需求以及分析現(xiàn)有監(jiān)測方式所存在問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器節(jié)點快速自組網(wǎng)以及對生態(tài)數(shù)據(jù)的遠程實時采集、傳輸和顯示，充分發(fā)揮了Zig-Bee低功耗、低成本以及組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢?；赥AG算法的數(shù)據(jù)融合策略在ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的應(yīng)用使系統(tǒng)具有良好的魯棒性。同時，在中央監(jiān)控中心應(yīng)用上位機監(jiān)控頁面統(tǒng)一管理，便于監(jiān)控者操作。系統(tǒng)的設(shè)計為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用做了有益探索。但是對于大規(guī)模的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測而言，傳感器節(jié)點中現(xiàn)行使用的CC2530芯片的處理能力稍顯薄弱。希望在下一步的設(shè)計中使用性能更佳的ARM芯片、移植嵌入式Linux系統(tǒng)實現(xiàn)快速控制并開發(fā)出人機界面更為友好的上位機監(jiān)控程序，方便監(jiān)控人員使用。

［1］ 馬子恒，肖玉芝.基于物聯(lián)網(wǎng)的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方案的設(shè)計與實現(xiàn)［C］.//中國通信學(xué)會通信管理委員會第30次學(xué)術(shù)會議.北京：中國通信學(xué)會通信管理委員會，2012.

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A Monitoring System of Ecological Environment Based on ZigBee and TAG Data Fusion

Ning Feifei，Ren Hongqing
（Department of Software，Pingdingshan University，Pingdingshan 467000，China）

Aiming at the low intelligence level of current ecological environmentmonitoringwork and the poor ability of real－time supervision，a monitoring system of ecological environment is designed in this paper.The system，using CC2530 chip as the core of the sensor nodes，build a wireless sensor network based on ZigBee protocol.The ecological data of the monitoring area is automatically collected and transferred by the ZigBee network，then the data is transferred to the central monitoring center through the GPRSnetwork to realize remote viewing and control of the ecological data in real time.At the same time，a data fusion strategy，based on the TAG algorithm，is used in WSN.The simulation results show that the application of the data fusion strategy effectively reduces the amount of data transmission in the network and the energy consumption of nodes and prolongs the network life cycle.

ZigBee Protocol；Wirless Sensor Network；TAG Algorithm；Data Fusion；CC2530 Chip；Ecological Environment Monitoring

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.05.008

TP393

A

1002－2279（2015）05－0027－05

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目（14B520039）；平頂山學(xué)院青年基金研究項目（PDSU－QNJJ－2013009）

寧菲菲（1985－），女，河南省平頂山市人，助教，碩士研究生，主研方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

2015－01－16