基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)探究

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室內(nèi)環(huán)境中的狀態(tài)信息進行獲取，以此實現(xiàn)對室內(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行連接，然后通過現(xiàn)場總線來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，而中央控制單元則會對接受到的數(shù)據(jù)進行綜合處理。不過這種室內(nèi)監(jiān)控方法在布線上過于復(fù)雜，且會花費較高的施工成本。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，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，能夠為室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層框架時提供強大的技術(shù)支持。在室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，主要包括三種拓撲結(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終端設(shè)備及對應(yīng)的路由設(shè)備，而協(xié)調(diào)器則僅有一個，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)進行有效維護，而路由設(shè)備則在其中發(fā)揮著接力作用，其能夠使信號在更大的范圍內(nèi)傳輸。

在對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)進行研發(fā)與設(shè)計時，需要將ZigBee技術(shù)應(yīng)用于其中，以此實現(xiàn)對無線傳感器網(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，其中，傳感器節(jié)點即ZigBee節(jié)點，這些節(jié)點可被布置在室內(nèi)環(huán)境的各個角落，通過傳感器節(jié)點可實現(xiàn)對室內(nèi)空間中各種環(huán)境狀態(tài)信息的自動采集，并對采集的環(huán)境狀態(tài)信息進行預(yù)處理與上傳，除此之外，還能使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備主動探測功能。而對于中央控制設(shè)備來說，其是由聲光報警器、GPRS通信模塊、ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器以及平板電腦等四個部分所組成，利用中央控制設(shè)備可實時接收來自于ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點經(jīng)過預(yù)處理后所傳輸?shù)沫h(huán)境狀態(tài)信息，并可對這些環(huán)境狀態(tài)信息進行綜合處理，如存儲、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)實時掌握室內(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)對室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行設(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)在運行過程中，室內(nèi)空間內(nèi)的環(huán)境參數(shù)會被無線傳感器節(jié)點定時檢測與采集，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)來實現(xiàn)的，中央監(jiān)控端會通過數(shù)據(jù)分析及處理將結(jié)果顯示在屏幕上，同時，其會將數(shù)據(jù)分析與處理結(jié)果和預(yù)先設(shè)置的報警閾值進行比對，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某一環(huán)境參數(shù)的檢測值高于報警閾值時，便會發(fā)出警報，最后，用戶還可利用GPRS模塊來實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的遠程獲取與設(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

2.1 硬件設(shè)計

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)點以及無線傳感器。在設(shè)計ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的節(jié)點時，需要分別設(shè)計其微控制器模塊、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)器的運行時間較長，因此需要對其供電方式進行改進，可利用USB來對其進行供電。在設(shè)計無線傳感器節(jié)點時，則需要分別對電源模塊、傳感器模塊、微控制器模塊以及無線發(fā)送模塊進行設(shè)計。其中，在設(shè)計傳感器節(jié)點時，需要通過電池來進行供電，同時考慮到節(jié)點的能耗，在設(shè)計過程中還要采取周期制的方式來安排其運行時間，當(dāng)節(jié)點模塊不使用時，則會自動休眠。在休眠模式中，需要確保CC2530的能耗在1μA以下，而在對數(shù)據(jù)進行上傳或傳輸時，可對CC2530進行定時喚醒。在對穩(wěn)壓芯片進行選擇時，考慮到一般的穩(wěn)壓芯片會產(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

在對軟件進行設(shè)計時，需要按照上位機與下位機兩個部分來進行分別設(shè)計，其中上位機主要是在計算機上運行的，其本質(zhì)上是一種客戶端軟件，用戶能夠利用上位機來實時監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境，并通過上位機來實現(xiàn)對各種應(yīng)用終端的控制。而下位機的設(shè)計則包括兩個部分，一種是對無線傳感器節(jié)點軟件進行設(shè)計，另一種是對ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點進行設(shè)計。在設(shè)計室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的軟件時，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、通信模塊以及實時監(jiān)測模塊。其中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點、監(jiān)控系統(tǒng)和GPRS在進行數(shù)據(jù)傳輸及交互時主要是利用通信模塊來實現(xiàn)的，而用戶在設(shè)置室內(nèi)環(huán)境參數(shù)時則是通過參數(shù)設(shè)置模塊來完成的，安裝于室內(nèi)空間各個角落的傳感器在對環(huán)境信息進行采集與顯示時則離不開實時監(jiān)測模塊。對于控制量輸出模塊，則可實現(xiàn)對室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的聲光報警及輸出控制量。在對下位機的軟件進行設(shè)計時，需要分別對無線傳感器節(jié)點軟件以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點進行設(shè)計，以TI中的Z-STACK協(xié)議棧來進行程序設(shè)計，并且在軟件設(shè)計中需要將開發(fā)環(huán)境設(shè)置為IAR集成開發(fā)環(huán)境，同時嚴格按照模塊化設(shè)計思路來進行，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、建立及串口傳輸?shù)裙δ芏际抢脜f(xié)調(diào)節(jié)點程序?qū)崿F(xiàn)的。當(dāng)傳感器節(jié)點中有電流經(jīng)過時，系統(tǒng)會自動初始化配置MCU，然后對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行全面掃描，當(dāng)檢測到協(xié)調(diào)器后便會自動創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，同時提出加入申請，在加入申請通過后系統(tǒng)便會對傳感器信息進行周期性的采集，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)點處于空間時則會自動切換至休眠狀態(tài)。

3. 系統(tǒng)測試及分析

為了對其性能進行驗證，將測試環(huán)境確定為辦公室環(huán)境，在辦公室內(nèi)布置三個無線傳感器節(jié)點，環(huán)境測試參數(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，并按照天線水平對傳感器節(jié)點進行垂直放置。此外，在溫濕度測試中為了更易獲得溫濕度的檢測誤差，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)測誤差與濕度檢測誤差則分別為±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)測數(shù)據(jù)上有著良好的準確度，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，并對該系統(tǒng)的性能進行了驗證。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)計時存在的布線復(fù)雜、成本較高等問題，進而使室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)能夠更加智能化的監(jiān)測室內(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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