王剛 何世華 郭靜靜 范桂齡

引言：如今，人們主要利用各類傳感器來對(duì)室內(nèi)環(huán)境中的狀態(tài)信息進(jìn)行獲取，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的有效監(jiān)控，現(xiàn)在主流的室內(nèi)監(jiān)控方法是將采集模塊和變送器進(jìn)行連接，然后通過現(xiàn)場(chǎng)總線來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而中央控制單元?jiǎng)t會(huì)對(duì)接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理。不過這種室內(nèi)監(jiān)控方法在布線上過于復(fù)雜，且會(huì)花費(fèi)較高的施工成本。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，使這些問題得到了有效解決。為此，以下基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究。

1. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成及原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建可以采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，這樣能夠提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性與安全性，從而使有線室內(nèi)監(jiān)控的一系列問題得到有效解決。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在組建過程中是以ZigBee技術(shù)為核心的，該技術(shù)作為一種低速率、短距離的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)監(jiān)控功能的基礎(chǔ)。在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)中，ZigBee技術(shù)的應(yīng)用，能夠?yàn)槭覂?nèi)監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層框架時(shí)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。在室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，主要包括三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)型結(jié)構(gòu)與樹型結(jié)構(gòu)，該框架中包含有若干個(gè)終端設(shè)備及對(duì)應(yīng)的路由設(shè)備，而協(xié)調(diào)器則僅有一個(gè)，在網(wǎng)絡(luò)層框架中，協(xié)調(diào)器發(fā)揮著核心作用，其能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效維護(hù)，而路由設(shè)備則在其中發(fā)揮著接力作用，其能夠使信號(hào)在更大的范圍內(nèi)傳輸。

在對(duì)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)與設(shè)計(jì)時(shí)，需要將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于其中，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高效組建，在該系統(tǒng)中，其無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括三個(gè)組成部分，分別是控制單元、中央監(jiān)控設(shè)備以及傳感器節(jié)點(diǎn)，其中，傳感器節(jié)點(diǎn)即ZigBee節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)可被布置在室內(nèi)環(huán)境的各個(gè)角落，通過傳感器節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)空間中各種環(huán)境狀態(tài)信息的自動(dòng)采集，并對(duì)采集的環(huán)境狀態(tài)信息進(jìn)行預(yù)處理與上傳，除此之外，還能使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備主動(dòng)探測(cè)功能。而對(duì)于中央控制設(shè)備來說，其是由聲光報(bào)警器、GPRS通信模塊、ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器以及平板電腦等四個(gè)部分所組成，利用中央控制設(shè)備可實(shí)時(shí)接收來自于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過預(yù)處理后所傳輸?shù)沫h(huán)境狀態(tài)信息，并可對(duì)這些環(huán)境狀態(tài)信息進(jìn)行綜合處理，如存儲(chǔ)、響應(yīng)、分析及顯示等，這樣監(jiān)控人員便可通過顯示屏來查看室內(nèi)環(huán)境的情況。在室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)中，可安裝很多類型的無線傳感器，如紅外線傳感器、振動(dòng)傳感器、聲波傳感器等，利用這些傳感器可使室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握室內(nèi)空間中的安全情況及環(huán)境質(zhì)量，此外，用戶還可利用該系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與調(diào)節(jié)，從而使室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量最終滿足用戶要求。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)行原理

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，室內(nèi)空間內(nèi)的環(huán)境參數(shù)會(huì)被無線傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)檢測(cè)與采集，然后將其傳輸給中央監(jiān)控端，數(shù)據(jù)的傳輸與上傳功能則是通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的，中央監(jiān)控端會(huì)通過數(shù)據(jù)分析及處理將結(jié)果顯示在屏幕上，同時(shí)，其會(huì)將數(shù)據(jù)分析與處理結(jié)果和預(yù)先設(shè)置的報(bào)警閾值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某一環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)值高于報(bào)警閾值時(shí)，便會(huì)發(fā)出警報(bào)，最后，用戶還可利用GPRS模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程獲取與設(shè)置。

2. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)中，其硬件部分分為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及無線傳感器。在設(shè)計(jì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要分別設(shè)計(jì)其微控制器模塊、串口電平變化模塊、電源模塊以及無線接收模塊，考慮到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，因此需要對(duì)其供電方式進(jìn)行改進(jìn)，可利用USB來對(duì)其進(jìn)行供電。在設(shè)計(jì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，則需要分別對(duì)電源模塊、傳感器模塊、微控制器模塊以及無線發(fā)送模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，在設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要通過電池來進(jìn)行供電，同時(shí)考慮到節(jié)點(diǎn)的能耗，在設(shè)計(jì)過程中還要采取周期制的方式來安排其運(yùn)行時(shí)間，當(dāng)節(jié)點(diǎn)模塊不使用時(shí)，則會(huì)自動(dòng)休眠。在休眠模式中，需要確保CC2530的能耗在1μA以下，而在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳或傳輸時(shí)，可對(duì)CC2530進(jìn)行定時(shí)喚醒。在對(duì)穩(wěn)壓芯片進(jìn)行選擇時(shí)，考慮到一般的穩(wěn)壓芯片會(huì)產(chǎn)生較大的靜態(tài)電流，因此建議采用由HOLTEK企業(yè)所生產(chǎn)的HT7333芯片，該芯片在使用過程中能夠有效避免靜態(tài)電流過大的問題。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要按照上位機(jī)與下位機(jī)兩個(gè)部分來進(jìn)行分別設(shè)計(jì)，其中上位機(jī)主要是在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的，其本質(zhì)上是一種客戶端軟件，用戶能夠利用上位機(jī)來實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境，并通過上位機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)各種應(yīng)用終端的控制。而下位機(jī)的設(shè)計(jì)則包括兩個(gè)部分，一種是對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，另一種是對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件時(shí)，需要選擇Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境，開發(fā)語言則采用C#，在該軟件系統(tǒng)中，主要包括參數(shù)設(shè)置模塊、控制量輸出模塊、通信模塊以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊。其中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、監(jiān)控系統(tǒng)和GPRS在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及交互時(shí)主要是利用通信模塊來實(shí)現(xiàn)的，而用戶在設(shè)置室內(nèi)環(huán)境參數(shù)時(shí)則是通過參數(shù)設(shè)置模塊來完成的，安裝于室內(nèi)空間各個(gè)角落的傳感器在對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行采集與顯示時(shí)則離不開實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊。對(duì)于控制量輸出模塊，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的聲光報(bào)警及輸出控制量。在對(duì)下位機(jī)的軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要分別對(duì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以TI中的Z-STACK協(xié)議棧來進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，并且在軟件設(shè)計(jì)中需要將開發(fā)環(huán)境設(shè)置為IAR集成開發(fā)環(huán)境，同時(shí)嚴(yán)格按照模塊化設(shè)計(jì)思路來進(jìn)行，開發(fā)語言則采用C#語言。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，該網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)、建立及串口傳輸?shù)裙δ芏际抢脜f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)程序?qū)崿F(xiàn)的。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)中有電流經(jīng)過時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)初始化配置MCU，然后對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全面掃描，當(dāng)檢測(cè)到協(xié)調(diào)器后便會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)提出加入申請(qǐng)，在加入申請(qǐng)通過后系統(tǒng)便會(huì)對(duì)傳感器信息進(jìn)行周期性的采集，然后通過濾波處理將結(jié)果反饋至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于空間時(shí)則會(huì)自動(dòng)切換至休眠狀態(tài)。

3. 系統(tǒng)測(cè)試及分析

為了對(duì)其性能進(jìn)行驗(yàn)證，將測(cè)試環(huán)境確定為辦公室環(huán)境，在辦公室內(nèi)布置三個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，環(huán)境測(cè)試參數(shù)則包括室內(nèi)的溫度、濕度，并將溫濕度傳感器分別安裝在相應(yīng)位置上，溫濕度傳感器的安裝高度為距地面1米m，并按照天線水平對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行垂直放置。此外，在溫濕度測(cè)試中為了更易獲得溫濕度的檢測(cè)誤差，還采取多次重復(fù)采集的方法。通過觀察，可以了解到辦公室室內(nèi)環(huán)境的溫濕度在每秒一次的采集周期下，并未出現(xiàn)丟包率，而溫度監(jiān)測(cè)誤差與濕度檢測(cè)誤差則分別為±0.4與±4%，由此說明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上有著良好的準(zhǔn)確度，數(shù)據(jù)傳輸較為穩(wěn)定，且能夠滿足室內(nèi)空間的環(huán)境監(jiān)測(cè)要求。

結(jié)語：本文提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，探討了該系統(tǒng)的組成、原理及軟硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)該系統(tǒng)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。利用ZigBee技術(shù)，可有效解決以往在室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)存在的布線復(fù)雜、成本較高等問題，進(jìn)而使室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)能夠更加智能化的監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境，相比于以往的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，其有著極為廣泛的應(yīng)用前景。

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