王伯槐，李蕓蕓

(1.榆林學(xué)院 信息工程學(xué)院,陜西 榆林719000；2.榆林市榆陽區(qū)有線電視臺，陜西 榆林 719000)

1 引言

廣泛的應(yīng)用需求推動計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)快速發(fā)展，相應(yīng)的各種短距離無線通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和分布式信息技術(shù)等多種技術(shù)和學(xué)科的有機(jī)融合[1]。WSN使大量的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式形成網(wǎng)絡(luò)，并通過無線短距離通信技術(shù)集成信息感知。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式比較，傳統(tǒng)通常采用手動方式采集現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)，隨著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的大力發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)、組裝設(shè)備分散的不同的地理區(qū)域。尤其涉及不適宜人工作業(yè)的數(shù)據(jù)采集如高溫、高壓和相應(yīng)設(shè)備維護(hù)等。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅可以解決人工手動采集系統(tǒng)中存在的問題，而且可以提高效率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測。傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本、降低能耗的目的。

2 目前研究現(xiàn)狀

美國已經(jīng)在軍事領(lǐng)域廣泛使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。同時，隨著應(yīng)用的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐步從軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到環(huán)境、能源監(jiān)控、樓宇自動化甚至家庭等民用領(lǐng)域[2]。美國的伯克利分校、麻省理工學(xué)院等從事低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究。另外，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司，四家國際知名公司加盟“ZigBee聯(lián)盟”，致力于研究低耗電、低復(fù)雜度、支持大量網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)上拓?fù)?、安全可靠的ZigBee技術(shù)[3-4]。ZigBee已成為一個在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域最好的技術(shù)之一，短距離通信技術(shù)參數(shù)對比如表1所示。

表1 短距離通信技術(shù)參數(shù)對比

中國科學(xué)院以及主要的科研機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司參與了與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的應(yīng)用理論研究。中國科學(xué)院下屬的計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)GAINZ，已與主流的2.4G的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在市場兼容，傳輸距離和功耗有一定的優(yōu)勢[4]。中國科學(xué)院還在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議研究方面做了大量工作，取得了很多成果。

3 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義三種類型的節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)邏輯的角度：PAN協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)；PAN協(xié)調(diào)器貫穿整個網(wǎng)絡(luò)，它通常在網(wǎng)絡(luò)初始化時實(shí)現(xiàn)。協(xié)調(diào)器由網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)目決定，它承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的功能。終端節(jié)點(diǎn)一般是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的終端節(jié)點(diǎn)，它的功能相對簡單，使用量大，能耗和成本最低[5]。PAN協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與溫度和濕度傳感點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)的連接發(fā)揮著重要的作用。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型，在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有的設(shè)備間的通信都相互建立在PAN協(xié)調(diào)器上。無線傳感器的實(shí)體圖如圖1所示。

圖1無線傳感器

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括三個部分，分別是終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控軟件。其中終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)的底層實(shí)現(xiàn)。終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)對應(yīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫、濕度等實(shí)際傳感節(jié)點(diǎn)，由終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控軟件的主要功能是實(shí)時監(jiān)測ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并接收節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)采集信息數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)采集點(diǎn)發(fā)送字符串給GPRS DTU。GPRS DTU接收TCP數(shù)據(jù)包，并發(fā)送到實(shí)時顯示監(jiān)控軟件，基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)既包括終端節(jié)點(diǎn)，又包括數(shù)據(jù)采集接點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳感點(diǎn)由電池供電，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)需要穩(wěn)定的電源。端點(diǎn)節(jié)點(diǎn)由溫、濕度數(shù)據(jù)和儀器數(shù)據(jù)感知，ZigBee傳輸無線功率監(jiān)控點(diǎn)處理。

為了反映終端節(jié)點(diǎn)和起始節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，每個終端采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)匯總節(jié)點(diǎn)通過一個線段連接到網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)申請加入或脫離網(wǎng)絡(luò)時，在監(jiān)控軟件界面也將顯示。經(jīng)過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)中包含得分網(wǎng)絡(luò)地址和網(wǎng)絡(luò)類型，終端節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送數(shù)據(jù)和數(shù)字字段。經(jīng)過解析數(shù)據(jù)，提取并存儲網(wǎng)絡(luò)地址和對應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)模式。運(yùn)行于服務(wù)器的監(jiān)控軟件可以對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理和配置，并啟動監(jiān)控任務(wù)，接收和處理監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。用戶界面是提供監(jiān)測終端和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)之間的接口。數(shù)據(jù)庫存儲各種類型的傳感器數(shù)據(jù)，并提供相應(yīng)的增加、查詢、刪除、調(diào)度、分析等功能。用戶界面主要包括以下內(nèi)容：圖形化顯示界面、采集數(shù)據(jù)表、監(jiān)測結(jié)果分析和顯示動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對節(jié)點(diǎn)是否正常工作提供預(yù)警。

4 采集數(shù)據(jù)分析

啟動該系統(tǒng)定期或?qū)崟r采集溫度、濕度等數(shù)據(jù)，并對采集到的數(shù)據(jù)存儲、分析和可視化顯示。在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集階段，首先，傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的溫度、濕度等與設(shè)定值比較，判斷節(jié)點(diǎn)附近的環(huán)境條件是否滿足，匯聚節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控終端顯示報警。監(jiān)控終端可以先用來保存分布圖、計(jì)算節(jié)點(diǎn)的異常原因、收集所有的數(shù)據(jù)。工作期間，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)將發(fā)送啟動指令到傳感器節(jié)點(diǎn)，并開始連續(xù)采集溫度和濕度等數(shù)據(jù)，然后匯總、分析并實(shí)時顯示在服務(wù)器的監(jiān)控終端軟件上。由6個節(jié)點(diǎn)溫、濕度傳感器在一定的時間收集的數(shù)據(jù)如表2所示。最大值和最小值之間存在一個2°的距離，比單點(diǎn)捕獲更準(zhǔn)確，而且每個待測點(diǎn)的待測數(shù)據(jù)也不相同。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠在待監(jiān)測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精細(xì)采樣。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信圖

在圖3中，物理層包括智能家居、PC外設(shè)、游戲等，利用對等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以形成更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活并具有更寬泛的使用范圍和安全性。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種無線自組織網(wǎng)絡(luò)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是豐富多樣的，如星型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和樹型網(wǎng)絡(luò)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議負(fù)責(zé)對單個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的形成；傳感器網(wǎng)絡(luò)與IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)兼容。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是路由尋址與網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)。監(jiān)聽數(shù)據(jù)是依賴于TCP套接字完成，服務(wù)器通過控制監(jiān)控軟件完成監(jiān)聽數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)采集值

從上表中可以看出，最高溫度和最低溫度是26.5℃和25.6℃。最高溫度和最低溫度的差異小于1°C。對于溫濕度數(shù)據(jù)，監(jiān)測軟件的監(jiān)測值每1秒鐘變化一次。從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時監(jiān)控的效果。

5結(jié)論

傳統(tǒng)人工采集和單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集誤差大，精度不高，并且不能實(shí)時大面積數(shù)據(jù)采集。為此，設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該方案可以同時采集多種數(shù)據(jù)類型，包括空氣溫度、濕度數(shù)據(jù)、光照、壓力等，并且可以部署在多個地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測。ZigBee協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，并與相關(guān)的接口來實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的安全傳輸。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最高溫度和最低溫度之間的差異小于或等于1°C。本文開發(fā)的監(jiān)控軟件功能比較簡單，對數(shù)據(jù)的分析和可視化顯示有待改進(jìn)。并沒有實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的挖掘功能，這是后期需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善的。