ZigBee技術(shù)在建筑物環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

Application of ZigBee Technology

in Networked Buildings Environment Monitoring System

靳衛(wèi)平1　錢　堃2

(南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院1，江蘇 南京　210042;東南大學(xué)自動化學(xué)院2，江蘇 南京　210096)

ZigBee技術(shù)在建筑物環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

Application of ZigBee Technology

in Networked Buildings Environment Monitoring System

靳衛(wèi)平1錢堃2

(南京師范大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院1，江蘇 南京210042;東南大學(xué)自動化學(xué)院2，江蘇 南京210096)

摘要：通過將ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與.NET網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相集成，提出了一種大型公共建筑物環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。該方案采用MSP430單片機、CC2530及溫濕度、灰塵傳感器實現(xiàn)分布式環(huán)境參量采集。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)具有測點-路由節(jié)點-協(xié)調(diào)器分層次結(jié)構(gòu)，在ZigBee協(xié)議棧上實現(xiàn)協(xié)調(diào)器自組建網(wǎng)絡(luò);管理子系統(tǒng)遵循C/S及B/S相結(jié)合的開發(fā)模式，采用AJAX技術(shù)實現(xiàn)前臺瀏覽器客戶端與后臺數(shù)據(jù)庫的交互。應(yīng)用試驗驗證了方案的可行性、可靠性，結(jié)果表明該系統(tǒng)為支持建筑環(huán)境監(jiān)測提供了豐富的決策功能。

關(guān)鍵詞：ZigBee建筑環(huán)境微控制器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

Abstract：The monitoring system of environment parameters for large scale public buildings is proposed in which the ZigBee wireless sensor network technology and. NET network technology are integrated. The distributed environment parameter acquisition is implemented by using MSP430, CC2530 and sensors of temperature, humidity and dust, in this scheme. The data acquisition subsystem features the hierarchical structure of measuring points-routing node-coordinator, and the coordinator Ad hoc network is implemented under ZigBee protocol stack. The management subsystem follows C/S and B/S pattern, the interaction between the foreground browser client and background database is achieved by AJAX technology. The applications validate the feasibility and reliability of the scheme, the result indicates that the system provides rich decision-making function for supporting buildings environment monitoring.

Keywords：ZigBeeBuilding environmentMCUWireless senor networkMonitoring system

0引言

隨著我國醫(yī)院、辦公大樓、校園建筑等大型公共建筑日益增多,出于節(jié)約能耗、確保室內(nèi)空氣質(zhì)量的目的，需要對環(huán)境溫濕度、灰塵、光照度等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測。由于各種傳感器通常具有不同的數(shù)據(jù)接口和電氣特性，難以接入一個監(jiān)測節(jié)點[1]。另外,大型建筑內(nèi)通常測點分布廣、布線復(fù)雜、安裝維護困難。

針對低成本、低功耗、高可靠性和高穩(wěn)定性的大型建筑物環(huán)境監(jiān)測，本文將ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2-5]和Web遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種具有分布式測點、層次化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建筑物環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)。ZigBee基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，具有自組網(wǎng)、高可靠、擴展性好、功耗低、易安裝和維護簡單等特點[6-7]。通過搭建測點-路由節(jié)點-協(xié)調(diào)器分層次結(jié)構(gòu)的分布式數(shù)據(jù)采集平臺，將傳感器網(wǎng)絡(luò)散布于整個監(jiān)測區(qū)域，并通過ZigBee協(xié)議采用自組網(wǎng)和多跳通信方式層層傳輸數(shù)據(jù)。

與現(xiàn)有大多數(shù)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式監(jiān)測系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)有效集成了Web遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)，采用MVC設(shè)計模式[8]開發(fā)了管理子系統(tǒng)軟件架構(gòu);并將C/S與B/S模式相結(jié)合，利用B/S實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢，利用C/S模式實現(xiàn)參數(shù)實時監(jiān)控功能，對多種環(huán)境參數(shù)進行了全方位可視化監(jiān)測。

1系統(tǒng)組成與工作原理

根據(jù)我國現(xiàn)有的《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》并結(jié)合一般辦公科研類公共建筑環(huán)境監(jiān)測需求，本文考慮室內(nèi)環(huán)境溫濕度以及可吸入顆粒物PM10作為典型監(jiān)測參量。系統(tǒng)總體由分布式數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)(Web服務(wù)器)兩大部分組成。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體架構(gòu)

分布式數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，根據(jù)文獻[9]中的劃分，系統(tǒng)由測量節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器這三種基于ZigBee的節(jié)點設(shè)備組成。在一般建筑物內(nèi)ZigBee的可靠傳輸距離為10~75 m，在大型建筑物內(nèi)不同樓層區(qū)域距離較遠時，引入路由器節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接力傳送。為降低成本，系統(tǒng)中的測量節(jié)點用簡約功能設(shè)備(reduced function device，RFD)實現(xiàn)[9]，而路由節(jié)點控制子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制。協(xié)調(diào)器節(jié)點用于匯聚并保持整個無線網(wǎng)絡(luò)采集的信息，同時向管理系統(tǒng)服務(wù)器上傳數(shù)據(jù)，故此兩者用全功能設(shè)備(full function device，F(xiàn)FD)實現(xiàn)。這也是此類系統(tǒng)通常采用的合理方案。

管理子系統(tǒng)將分布在大型建筑物各樓層各測點的環(huán)境測量數(shù)據(jù)匯集于部署在該建筑物中的服務(wù)器中。服務(wù)器運行后臺數(shù)據(jù)庫管理軟件，并通過樓宇局域網(wǎng)絡(luò)或Internet網(wǎng)絡(luò)組成客戶端/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，客戶端采用瀏覽器Web頁面形式提供圖形用戶界面(graphical user interface,GUI)。

2分布式數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

2.1　ZigBee節(jié)點硬件設(shè)計

測量節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器這三種節(jié)點具有類似的基本結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，為此采用模塊化設(shè)計方法[9]。節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)包含電源模塊、無線通信模塊、主控制器模塊及其各種外設(shè)接口電路。

圖2　節(jié)點硬件框圖

主控制器采用TI公司的低功耗MSP430F149單片機芯片。無線通信模塊采用TI公司的CC2530F256射頻芯片[6-11]，該芯片具有低功耗、高靈敏度、速率可調(diào)、可從休眠模式快速蘇醒等眾多優(yōu)點。MSP430與CC2530通過SPI總線連接并查詢CC2530的狀態(tài)信息。在測量節(jié)點中，采用Sensirion公司的數(shù)字溫濕度傳感器SHT11[10-11]?；覊m傳感器采用DSM501，可以靈敏檢測直徑為1 μm 以上的微小粒子，精度為0.5 mg/m3。系統(tǒng)通過單片機A/D接口及放大電路獲取其采集信號。協(xié)調(diào)器采用PDIUSBD12芯片作為USB主控制器串行接口，實現(xiàn)與服務(wù)器主機之間的USB連接。

2.2　節(jié)點固件設(shè)計

與TI CC2530對應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境為IAR EW8051，協(xié)議棧選擇TI公司的ZSTACK 2.4.1。分布式數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的工作流程可以分為三個階段。首先，各節(jié)點上電后對MSP430和CC2530進行初始化，并初始化協(xié)議棧，協(xié)調(diào)器檢測是否與上位機相連。其次，協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，路由器和終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送和處理綁定命令，測量節(jié)點把傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點，路由節(jié)點又轉(zhuǎn)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。然后協(xié)調(diào)器把收到的數(shù)據(jù)進行處理和消息封裝后通過USB接口發(fā)送至服務(wù)器，將記錄寫入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。

測量節(jié)點在初始化MCU、射頻芯片后還要初始化SPI 接口。同時，在其主循環(huán)程序中判斷各種內(nèi)外部中斷源的中斷類型，并分別跳轉(zhuǎn)至定時器中斷、傳感器數(shù)據(jù)采集中斷、數(shù)據(jù)發(fā)送中斷等三個子程序。另外，本文參照文獻[6]設(shè)計了協(xié)調(diào)器固件的處理流程，它負責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)、配置網(wǎng)絡(luò)成員地址、維護網(wǎng)絡(luò)、接收及發(fā)送數(shù)據(jù)等。

協(xié)調(diào)器軟件流程如圖3所示。

圖3　協(xié)調(diào)器軟件流程

3管理子系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計

管理子系統(tǒng)總體架構(gòu)采用MVC設(shè)計模式，即包含模型、視圖和控制器分離的軟件架構(gòu)。該技術(shù)在組織代碼方面將業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)顯示分離，強制性地將程序的輸入、輸出和處理分開。

用戶通過瀏覽器發(fā)送HTTP請求到控制器，控制器根據(jù)請求的內(nèi)容從模型中獲取合適的數(shù)據(jù)，然后選擇合適的視圖呈現(xiàn)給用戶。本管理軟件通過LINQ to SQL接口查詢數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。客戶端與后臺服務(wù)器

使用異步的JavaScript與XML技術(shù)(asynchronous JavaScript and XML，AJAX)進行數(shù)據(jù)交互，頁面加載時使用AJAX從后臺獲取查詢數(shù)據(jù)。這樣可以減少瀏覽器和服務(wù)器之間交換的數(shù)據(jù)，并減少Web服務(wù)器的負荷。數(shù)據(jù)格式采用JSON格式，是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換語言。管理子系統(tǒng)應(yīng)用軟件框圖如圖4所示。

圖4　應(yīng)用軟件總體框圖

Web頁面內(nèi)容使用HTML語言編寫，而頁面樣式在CSS文件中編寫。頁面的交互行為使用jQuery庫進行編寫，并嵌入到HTML中或在獨立JS文件中。

4系統(tǒng)驗證及測試

系統(tǒng)部署在某校園科研大樓，平面布局如圖5所示，實際應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境為.NET Framework 4.5，VS2012 .NET集成開發(fā)環(huán)境，數(shù)據(jù)庫軟件為SQL Server 2008 R2。基于上述平臺，分別對數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和管理子系統(tǒng)的可行性、可靠性進行了測試試驗。

圖5　應(yīng)用場景分布

4.1　數(shù)據(jù)可靠性分析

隨機選取不同樓層多個測點，通過測量測點附件實際溫度和本系統(tǒng)實際采集并記錄的測點數(shù)據(jù)進行比較，如表1所示。由表1可見在四季常見室溫10~40 ℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)測量誤差不超過2.5%，能夠滿足一般公共建筑環(huán)境監(jiān)測的需求。

表1　溫度測量精度

ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量是衡量系統(tǒng)可靠性的另一個重要指標(biāo)，為此針對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率進行了測試。在試驗中發(fā)現(xiàn)點對點ZigBee通信存在三種傳輸錯誤情況，均認作誤碼：①測量節(jié)點重復(fù)發(fā)送，即多次發(fā)送相同時間戳和數(shù)據(jù)的消息包；②協(xié)調(diào)器漏收；③收發(fā)數(shù)據(jù)不一致。實際部署節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量與節(jié)點間距離和障礙物阻擋情況有關(guān)。無墻壁阻擋時，節(jié)點距離小于20 m時的誤碼率≤0.5%，距離小于55 m時的誤碼率≤1%；有30 cm厚水泥墻壁阻擋時，節(jié)點距離=25 m時的誤碼率達到10%。為此本系統(tǒng)針對大型建筑物引入路由節(jié)點接力數(shù)據(jù)傳輸，保證了數(shù)據(jù)采集的可靠性。圖6為30 s采樣周期下測量數(shù)據(jù)包在24 h內(nèi)的收發(fā)量的情況。由圖6可見系統(tǒng)總體誤碼率低于6%。

圖6　數(shù)據(jù)包收發(fā)統(tǒng)計

4.2　應(yīng)用可行性分析

管理子系統(tǒng)應(yīng)用軟件在樓宇分層地圖的基礎(chǔ)上，提供了室內(nèi)溫濕度、PM10等關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)控，還支持擴展光照、CO2、風(fēng)速等輔助環(huán)境參數(shù)。系統(tǒng)能實時顯示采集數(shù)據(jù)及其空間分布，具有歷史數(shù)據(jù)時間空間查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、報表打印等功能，并具有友好實用的Web操作界面。

圖7是本軟件繪制所得的第四層各測點溫度場分布。

圖7　溫度場分布

5結(jié)束語

針對大型公共建筑物節(jié)能與空氣質(zhì)量監(jiān)測需求，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化遠程監(jiān)測系統(tǒng)。該方案的層次化拓撲結(jié)構(gòu)按分區(qū)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，擴展了節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸距離，使分布于各樓層和區(qū)域內(nèi)的測點數(shù)據(jù)分級匯聚并最終傳輸?shù)焦芾矸?wù)器中。應(yīng)用軟件以瀏覽器頁面形式提供豐富的監(jiān)測與分析功能，系統(tǒng)擴展性強，為建筑溫濕度及空氣質(zhì)量監(jiān)測提供了豐富的決策支持功能。

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中圖分類號：TP368

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201502016

國家自然科學(xué)基金資助項目(編號：61105094)。

修改稿收到日期：2014-05-23。

第一作者靳衛(wèi)平(1959-)，男，1990年畢業(yè)于東南大學(xué)工業(yè)電氣自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，高級工程師；主要從事電氣自動化與測控方面的研究。