基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

方國(guó)棟，張育釗

（華僑大學(xué)工學(xué)院，泉州 362021）

0 引言

隨著信息化時(shí)代的高速發(fā)展，無線通信技術(shù)成為了數(shù)據(jù)傳遞過程中不可或缺的部分，例如藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee和Lora等人們熟悉的通訊方式，它們利用自己的優(yōu)勢(shì)在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著各自的作用。目前很多現(xiàn)場(chǎng)都是用有線的傳輸數(shù)據(jù)，但是在一些特定場(chǎng)景不允許有線的存在，所以新興的無線傳感器網(wǎng)技術(shù)ZigBee正好解決了這個(gè)問題。

現(xiàn)階段，在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，甘玫玉[3]等人利用大數(shù)據(jù)的方式對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并作出預(yù)測(cè)，即采用大數(shù)據(jù)挖掘、分析技術(shù)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境表征等復(fù)雜信息與指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)合起來進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析、整合，建立環(huán)境大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，全面分析環(huán)境的基本狀況和預(yù)測(cè)緊急狀態(tài)的趨勢(shì)；盛平[4]等提出基于ZigBee技術(shù)與3G技術(shù)結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)特定場(chǎng)景的監(jiān)控，該方案的結(jié)構(gòu)是，現(xiàn)場(chǎng)部署ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)集中在嵌入式服務(wù)器中處理，使用3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與Internet無縫連接；王驥[5]等人通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)和ZigBee相結(jié)合，也是基于Zig?Bee作為通信模塊，網(wǎng)關(guān)采用GPRS作為系統(tǒng)與3G網(wǎng)絡(luò)的通信模式。本文總結(jié)和歸納了上述檢測(cè)系統(tǒng)，并此基礎(chǔ)提出了自己的ZigBee搭建本地?zé)o線局域網(wǎng)，通過嵌入式網(wǎng)關(guān)（4G）與Internet連接，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和服務(wù)器交互數(shù)據(jù)的方式來監(jiān)測(cè)環(huán)境。服務(wù)器端增加了異常檢測(cè)方法，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查并上報(bào)異常問題，同時(shí)開發(fā)了后臺(tái)管理界面，管理人員通過Web網(wǎng)頁實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)，管理人員通過網(wǎng)頁前端數(shù)據(jù)和異常模塊，及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，以便做出進(jìn)一步的判斷和決策。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、后臺(tái)管理系統(tǒng)和服務(wù)器四部分組成，系統(tǒng)框架如圖1所示。

1.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)[6-9]是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，具有以下特點(diǎn)：①低功耗：傳輸速率低，發(fā)射功率為1mW，采用了休眠模式；②成本低：協(xié)議棧免專利費(fèi)，工作于ISM頻段868MHz（歐洲）、915NH 在（北美）和 2.4GHz（全球）；③網(wǎng)絡(luò)容量大：可支持節(jié)點(diǎn)達(dá)65000個(gè)；④可靠：采用了CSMA-CA機(jī)制，具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)功能；⑤安全：采用CRC校驗(yàn)，使用了AES-128加密算法。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)及ZigBee協(xié)調(diào)器，系統(tǒng)底層通訊協(xié)議為Z-Stack，實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，ZigBee協(xié)調(diào)器組建并維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，各ZigBee節(jié)點(diǎn)通過外接電路與傳感器交互數(shù)據(jù)，并向ZigBee協(xié)調(diào)器上報(bào)該數(shù)據(jù)，考慮到工地實(shí)際環(huán)境影響，部分ZigBee節(jié)點(diǎn)中有添加路由器，用于數(shù)據(jù)中繼。路由器節(jié)點(diǎn)通常放置在離終端節(jié)點(diǎn)較近、距協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置，多數(shù)時(shí)候需要路由器節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站。在終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器的過程中，如果距離太遠(yuǎn)不能直接傳輸。理論上可以采用經(jīng)過足夠多個(gè)路由器中繼跳轉(zhuǎn)的辦法。但實(shí)際應(yīng)用中，第一，路由器層數(shù)過多會(huì)造成硬件上的資源浪費(fèi)；第二，對(duì)于實(shí)時(shí)性敏感Zig?Bee網(wǎng)絡(luò)來說，數(shù)據(jù)傳輸過程中多次路由中轉(zhuǎn)產(chǎn)生的延時(shí)是不可輕視的，通常，一次中轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生l0ms延時(shí)，所以要盡量避免多層路由。因此，本系統(tǒng)只設(shè)計(jì)了一層路由，把重點(diǎn)放在了如何增加路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的有效通信距離，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)范圍。本系統(tǒng)的具體解決方法是在路由節(jié)點(diǎn)上增加功率放大器芯片CC2591，該芯片上集成了高性能的功率放大器和低噪聲放大器。ZigBee協(xié)調(diào)器接收到環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)后，進(jìn)行校驗(yàn)，在數(shù)據(jù)正確的情況下將數(shù)據(jù)進(jìn)一步打包，否則要求ZigBee節(jié)點(diǎn)重發(fā)，環(huán)境數(shù)據(jù)打包完成后，ZigBee協(xié)調(diào)器將打包的結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)框架圖

1.2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)部分的作用是建立前端和后臺(tái)服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通信，將前端傳感器節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)上傳到后臺(tái)服務(wù)器。嵌入式OpenWrt路由器基于Linux系統(tǒng)，繼承了Linux的TCP/IP協(xié)議棧，程序開發(fā)時(shí)可以直接使用系統(tǒng)提供的TCP/IP協(xié)議棧API創(chuàng)建Socket網(wǎng)絡(luò)套接字，同時(shí)該版本Linux系統(tǒng)穩(wěn)定，精簡(jiǎn)。綜上所述，采用嵌入式OpenWrt路由器將會(huì)使得本系統(tǒng)開發(fā)更為簡(jiǎn)單，效率更高，成本更低。在本系統(tǒng)中，該網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)兩個(gè)功能：其一是拆分、檢查和校驗(yàn)ZigBee協(xié)調(diào)器打包的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)，在數(shù)據(jù)正確的情況下，該路由器繼續(xù)本功能部分的打包；其二是采用TCP/IP協(xié)議，通過Socket套接字，將第一部分打包后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至后臺(tái)服務(wù)器。

1.3 后臺(tái)服務(wù)器

本系統(tǒng)服務(wù)器部分采用LAMP架構(gòu)，LAMP指的Linux（開源操作系統(tǒng)）、Apache（HTTP服務(wù)器），MySQL（數(shù)據(jù)庫軟件）和PHP（有時(shí)也是指Perl或Python）,一般用來建立Web應(yīng)用平臺(tái)。這些開放源代碼程序本身并不是專門設(shè)計(jì)成同另幾個(gè)程序一起工作的，但由于它們的免費(fèi)和開源，這個(gè)組合開始流行（大多數(shù)Linux發(fā)行版本捆綁了這些軟件）。當(dāng)一起使用的時(shí)候，它們表現(xiàn)地像一個(gè)具有活力的解決方案包。其他的方案包有蘋果的WebObjects（最初是應(yīng)用服務(wù)器），Java/J2EE和微軟的.NET架構(gòu)。

LAMP包的腳本組件中包括了CGIweb接口，它在90年代初期變得流行。這個(gè)技術(shù)允許網(wǎng)頁瀏覽器的用戶在服務(wù)器上執(zhí)行一個(gè)程序，并且和接受靜態(tài)的內(nèi)容一樣接受動(dòng)態(tài)的內(nèi)容。程序員使用腳本語言來創(chuàng)建這些程序因?yàn)樗鼈兡芎苋菀子行У牟僮魑谋玖?，甚至?dāng)這些文本流并非源自程序自身時(shí)也是。正是由于這個(gè)原因系統(tǒng)設(shè)計(jì)者經(jīng)常稱這些腳本語言為膠水語言。

在本系統(tǒng)中，MySQL用于環(huán)境數(shù)據(jù)的保存，前端將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)傳送到后臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)器端DAO層將數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫中；PHP用作為服務(wù)器端軟件開發(fā)語言，服務(wù)器端軟件用于監(jiān)聽路由器的TCP連接，在和路由器建立了TCP連接之后，交互傳感器所采集到的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)并保存，以便于后臺(tái)管理系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的查詢和管理人員的進(jìn)一步?jīng)Q策，同時(shí)后臺(tái)服務(wù)器有獨(dú)自開啟一進(jìn)程用于數(shù)據(jù)異常檢查，并保存數(shù)據(jù)異常信息記錄。

1.4 后臺(tái)管理系統(tǒng)

后臺(tái)管理系統(tǒng)提供了一個(gè)管理人員查看現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的平臺(tái)。網(wǎng)頁前端采用HTML及JavaScript腳本語言編寫，任何一臺(tái)能上網(wǎng)的設(shè)備在瀏覽器輸入網(wǎng)址后即可查看現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)參數(shù)。本系統(tǒng)中，后臺(tái)管理系統(tǒng)有做一些專門的設(shè)計(jì)，瀏覽器接收到環(huán)境參數(shù)后,將數(shù)據(jù)以圖表和曲線圖的方式顯示在網(wǎng)頁上，這種直觀的方式便于管理人員判斷現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的情況。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee軟件部分

本系統(tǒng)ZigBee軟件的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是TI公司推出的與CC2530配套的ZigBee 2006協(xié)議棧（Z-Stack）以及IAR集成開發(fā)環(huán)境。Z-Stack協(xié)議棧運(yùn)行在一個(gè)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制的OSAL操作系統(tǒng)上，OSAL通過觸發(fā)任務(wù)的事件來實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，OSAL中的任務(wù)可通過任務(wù)API函數(shù)將其添加到系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制[1-2]。

圖2 路由器軟件流程圖

該部分軟件處理的過程是：ZigBee節(jié)點(diǎn)每40s采集一次傳感器數(shù)據(jù)，校驗(yàn)后將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后，先進(jìn)行校驗(yàn)，然后把節(jié)點(diǎn)的編號(hào)打包到數(shù)據(jù)中，進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)至openWrt路由器。

2.2 OpenWrt路由器軟件部分

本系統(tǒng)OpenWrt軟件的流程圖如圖2所示，首先是系統(tǒng)初始化，包括Socket套接字的API初始化和讀取協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)緩存區(qū)的初始化，下面的工作主要分為兩個(gè)部分。

（1）監(jiān)聽協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)。當(dāng)收到協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)后，路由器首先對(duì)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行檢查，在數(shù)據(jù)格式正確的情況下，拆分?jǐn)?shù)據(jù)以獲取環(huán)境參數(shù)，然后對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行CRC檢驗(yàn)。否則丟棄數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)校驗(yàn)正確的情況下，則繼續(xù)本部分打包，在環(huán)境參數(shù)的原始數(shù)據(jù)上添加節(jié)點(diǎn)信息，以便于異常檢測(cè)中正確標(biāo)定節(jié)點(diǎn)信息，否則丟棄原始數(shù)據(jù)并重新繼續(xù)等待協(xié)調(diào)器上報(bào)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)。

（2）發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器。在上一步完成數(shù)據(jù)打包后，路由器創(chuàng)建Socket套接字，Socket套接字將數(shù)據(jù)寫出到后臺(tái)服務(wù)器，為了保證發(fā)送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)的可靠性和正確性，設(shè)計(jì)了”三次機(jī)制”，如果數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則重復(fù)發(fā)送，如果三次數(shù)據(jù)依然發(fā)送失敗，則重新等待打包好的數(shù)據(jù)，并報(bào)告異常。

2.3 服務(wù)器端軟件部分

服務(wù)器端劃分為兩個(gè)部分，異常檢測(cè)進(jìn)程和通信進(jìn)程。

（1）通信進(jìn)程。包括有兩個(gè)部分功能，網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)本地保存。如圖3所示。

圖3 服務(wù)器端軟件流程圖

①網(wǎng)絡(luò)通信。初始化后，調(diào)用PHP Socket API綁定、監(jiān)聽客戶端連接，并獲取客戶端數(shù)據(jù)，獲取到數(shù)據(jù)后，本部分也進(jìn)行數(shù)據(jù)拆分和校驗(yàn)檢查，剝離原始的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)，采用CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)正確的情況下，通知本地保存剝離的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，否則，丟棄數(shù)據(jù)并報(bào)告錯(cuò)誤。

②數(shù)據(jù)本地保存。接收到網(wǎng)絡(luò)通信模塊的保存數(shù)據(jù)通知后，本部分操作PHP MySQL API，分兩種情況，一、數(shù)據(jù)庫存在：直接打開表，將數(shù)據(jù)保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。二、數(shù)據(jù)庫不存在：則創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，打開數(shù)據(jù)表，將數(shù)據(jù)保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。

（2）異常檢測(cè)進(jìn)程

本系統(tǒng)傳感器每隔40s（?T）進(jìn)行一次采樣，按照如下公式[11]進(jìn)行判定：

Rt h(t)表示閾值的取值，Expn(t)表示正常的傳感器在正常區(qū)域讀數(shù)的期望值，一般穩(wěn)定環(huán)境可認(rèn)為起始一個(gè)常數(shù)；Expn(t)表示正常的傳感器在異常區(qū)域讀數(shù)的期望函數(shù)，t為傳感器采樣時(shí)刻。本系統(tǒng)在式（1）的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)判定，即如果采集的數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間與Expn差值為0，則可認(rèn)為數(shù)據(jù)發(fā)生重復(fù)異常。否則，繼續(xù)按照數(shù)據(jù)異常判定。

2.4 Web 前端部分

Web前端如圖4所示，管理人員登錄之后，即可通過地圖查看工地現(xiàn)場(chǎng)位置信息及架設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置信息，圖中紅、綠色的圖標(biāo)均是監(jiān)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)擊檢測(cè)點(diǎn)圖標(biāo)，即可實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)及異常情況，如圖4，5所示，從網(wǎng)頁中可以看出1號(hào)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)異常。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性，選取了泉州市在建的文化中心工程作為本系統(tǒng)試驗(yàn)工地，從網(wǎng)頁中可以看出共部署有5個(gè)點(diǎn)，其中1和2部署在文化中心，3-6是為項(xiàng)目預(yù)留的節(jié)點(diǎn)，7和8部署在另一個(gè)工程，本部分不予展示。試驗(yàn)時(shí)間從8月開始，目前還在運(yùn)行中。這里展示部分?jǐn)?shù)據(jù)情況。如圖6所示，顯示的是1月7日至17的PM2.5參數(shù)信息。圖7顯示的是1月7日至17日的溫度參數(shù)信息。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行基本穩(wěn)定，并且異常檢測(cè)的目標(biāo)也基本達(dá)成，同時(shí)通過后臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的對(duì)比，溫度、PM2.5數(shù)據(jù)誤差均在誤差允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，嵌入式網(wǎng)關(guān)、后臺(tái)管理系統(tǒng)和服務(wù)器四部分共同完成了現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和異常檢測(cè)。采用了4G實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，這種方式速率更高，結(jié)合ZigBee無線技術(shù)的低功耗、低成本、組網(wǎng)簡(jiǎn)單靈活、穩(wěn)定等特點(diǎn)，使得系統(tǒng)具有更好的應(yīng)用價(jià)值，并且服務(wù)器后臺(tái)添加了數(shù)據(jù)異常檢測(cè)，從而可以對(duì)異常數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)做出及時(shí)的處理，同時(shí)提供了后臺(tái)管理界面，使得管理人員可以更加方便地查看節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)。

圖4 Web前端管理界面

圖5 異常數(shù)據(jù)顯示信息

圖6 PM2.5實(shí)時(shí)圖

圖7 溫度實(shí)時(shí)圖

在實(shí)際應(yīng)用中，本系統(tǒng)也存在一些瑕疵，如異常檢測(cè)偶爾出現(xiàn)誤報(bào)，異常檢測(cè)速度較慢。在今后的研究中，將往異常檢測(cè)誤報(bào)及速度的發(fā)展，例如提高計(jì)算機(jī)硬件性能，采用大數(shù)據(jù)方式進(jìn)行異常數(shù)據(jù)檢測(cè)，提高速度，改進(jìn)檢測(cè)算法以降低數(shù)據(jù)的誤報(bào)率。

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