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2008年5月12日，8級強震襲擊了中國西南部，遇難69227人，受傷374643人，失蹤17923人，直接經濟損失達845l億元；2009年8月2日臺風莫拉克登陸，造成財產損失至少34億美元。上述這些駭人的數(shù)據(jù)足以提醒人們迫切需要對環(huán)境進行精確、實時監(jiān)控，以降低火災、自然災害等對人類造成的生命財產損失。但是，傳統(tǒng)的有線方式布線難度大、成本高且維護困難，因而需要另一種體系結構來對無人職守的環(huán)境進行實時連續(xù)地監(jiān)控，從而讓監(jiān)控網絡擺脫電纜布線和人工堅守的束縛。
1 Zigbee無線傳感器網絡
在無線傳感器網絡中，傳感器節(jié)點可通過飛機布撒，人工布置等方式，以一定的間隔距離分布在監(jiān)控區(qū)域內。這些節(jié)點再通過自組織方式構成無線網絡，并以協(xié)作的方式感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中特定的信息，從而實現(xiàn)對任意地點信息在任意時間的采集、處理和分析。這種以自組織形式構成的網絡，可通過多跳中繼方式將數(shù)據(jù)傳回中心控制節(jié)點，最后將整個區(qū)域內的數(shù)據(jù)傳送到遠程控制中心來進行集中處理。
目前迫切需要一種符合低端、面向控制、應用簡單的專用標準，而Zigbee的出現(xiàn)正好解決了這一問題。Zigbee有著高通信效率、低復雜度、低功耗、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點。這些優(yōu)點使得Zigbee和無線傳感器網絡完美地結合在一起。目前，基于Zigbee技術的無線傳感器網絡的研究和開發(fā)已得到越來越多的關注。
ZigBee是基于IEEE802．15．4無線標準研制開發(fā)的一種短距離、低功耗、低成本的無線組網技術。ZigBee所使用的頻段是免費開放的，分別為2．4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)，傳輸范圍依賴于輸出功率和信道環(huán)境，一般介于10米到100米之間，并支持無限擴展。在ZigBee網絡中存在三種邏輯設備類型：協(xié)調器、路由器和終端設備。協(xié)調器包含所有的網絡消息，并具有存儲容量大、計算能力強等特點，其主要任務是發(fā)送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節(jié)點、存儲網絡節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息和不斷地接收信息；路由器的功能主要是允許其他設備加入網絡、多跳路由和協(xié)助自己由電池供電的子終端設備的通訊；終端設備沒有特定的維持網絡結構的責任�？梢运呋蛘邌拘眩虼�，它可作為一個電池供電設備。
本文提出的無線傳感器解決方案的體系結構由傳感器節(jié)點、中心控制節(jié)點和環(huán)境信息監(jiān)控中心三部分組成。其系統(tǒng)結構框圖如圖l所示。基于實時性、便捷性和運行成本的考慮，本系統(tǒng)采用基于ZigBee技術的無線傳感器網絡來實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和上傳。傳感器節(jié)點則通過人工布置或飛機分撒等方式分布在監(jiān)測區(qū)域內，通過自組織形式形成無線多跳網絡，在采集環(huán)境數(shù)據(jù)后，可直接或經路由器間接地將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到中心控制節(jié)點，中心控制節(jié)點則通過串口將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心計算機上進行環(huán)境數(shù)據(jù)分析、存儲和預警。
2 無線傳感器網絡硬件設計
無線傳感器網絡是整個系統(tǒng)的核心，也是本設計的重點。它主要由一個中心控制節(jié)點和多個傳感器節(jié)點構成，主要功能是利用傳感器技術采集環(huán)境數(shù)據(jù)，同時采用ZigBee技術形成無線多跳網絡，從而實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)在無線傳感器網絡中的傳輸。
2．1 無線通信模塊選型
目前市場上針對ZigBee標準研制的芯片已經有很多種，比較典型的產品有TI公司的CC2430、Helicomm公司的IP-Link系列和Freeseale公司的MCl3192／3等。綜合考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、節(jié)能性和傳輸頻率的需求，本系統(tǒng)的無線通信模塊采用TI公司針對低系統(tǒng)成本、低功耗方面發(fā)布的射頻芯片CC2430來設計。圖2所示是CC2430的應用設計電路。
CC2430是真正的系統(tǒng)芯片CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2．4 GHz ISM波段應用對低成本、低功耗的要求。CC2430在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端、內存和微控制器。它使用1個8位8051MCU，并具有32／64／128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉換器、幾個定時器、AESl28協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振、休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I／O引腳。
對于環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)來說。一方面需要對監(jiān)測區(qū)域內的環(huán)境參數(shù)進行實時、精確地采集，整體了解監(jiān)測區(qū)域的溫度、濕度等參數(shù)分布狀況，并進行必要的預測；另一方面，當某一參數(shù)值出現(xiàn)異常時，還要求網絡應能及時報警，以預防事故發(fā)生。野外環(huán)境的各種參數(shù)變化比較緩慢，但是從緩慢的變化中可以看出變化的趨勢，因而需要對環(huán)境數(shù)據(jù)做周期性的采集并向上報告，以便管理人員根據(jù)數(shù)據(jù)的變化對可能出現(xiàn)的危險提前做出預測并采取相應的處理措施，從而盡可能避免災難的發(fā)生。但考慮到節(jié)點的能耗要求，節(jié)點不應該一直不停歇的對監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境參數(shù)進行采集，因此，本系統(tǒng)傳感器節(jié)點的設計采用電池供電，中心控制節(jié)點采用穩(wěn)壓電源供電。中心控制節(jié)點與監(jiān)控中心通過串口相連。
2．2 無線傳感器節(jié)點的結構設計
傳感器節(jié)點是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，它主要由濕度、溫度、煙塵等多路傳感器采集模塊、信號調理模塊和無線收發(fā)模塊組成，負責采集和上傳監(jiān)測區(qū)域內的各種環(huán)境參數(shù)和接收環(huán)境監(jiān)控中心發(fā)送的模式控制命令。為滿足野外無人值守的需求，設計可采用電池供電方式。其硬件結構框圖如圖3所示。
中心控制節(jié)點負責啟動整個網絡和維護節(jié)點，采集無線傳感器網絡上傳來的環(huán)境參數(shù)，并通過串口發(fā)送到監(jiān)控中心計算機上，同時偵聽串口接收中斷，用以向傳感器節(jié)點發(fā)送模式控制指令，因此，在中心控制節(jié)點的硬件平臺上可擴展使用RS232串口。考慮到功耗等問題，電源系統(tǒng)的設計采用穩(wěn)壓電源供電，這樣電量較為充足，能夠滿足系統(tǒng)需求。除了上述特殊需求外，中心控制節(jié)點的結構設計與傳感器節(jié)點的不同之處是其不包含傳感器組和信號調理模塊。
3 軟件程序設計
3．1 無線傳感器網絡層數(shù)據(jù)幀
傳感器節(jié)點、中心控制節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸必須遵循一定的數(shù)據(jù)格式，才能保證傳輸數(shù)據(jù)的正確性和有效性。一種有效的數(shù)據(jù)幀格式對于通信網絡中數(shù)據(jù)的準確傳輸能起到事半功倍的效果。數(shù)據(jù)幀的定義應該滿足兩個條件：一是要具有很好的擴展性，以方便系統(tǒng)擴展其他服務；二是要盡量簡潔，以減少通信網絡中的數(shù)據(jù)流量，使數(shù)據(jù)通信更通暢。
當傳感器節(jié)點向中心控制節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，必須讓中心控制節(jié)點知道自己上傳數(shù)據(jù)的類型以及自己的設備特征，這樣，當出現(xiàn)異常時，監(jiān)測網絡就可以報告出現(xiàn)異常的區(qū)域以及異常的特征。考慮到這個需求，在網絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就必須按照網絡約定的格式進行存儲。圖4所示是無線傳感器網絡層數(shù)據(jù)幀的格式定義。
其中OXAAH為幀頭，是一個數(shù)據(jù)幀開始的標志；
0XBBH為幀尾，是一個數(shù)據(jù)幀結束的標志；
校驗和用于表示通過校驗位來檢驗數(shù)據(jù)幀在傳輸過程中是不是發(fā)生了數(shù)據(jù)位的改變，通常從幀類型到數(shù)據(jù)域尾進行加和校驗；
通過幀類型域可以判斷此數(shù)據(jù)幀所攜帶的是哪一種數(shù)據(jù)。為了滿足系統(tǒng)需求，一般可設置周期采集數(shù)據(jù)和中斷數(shù)據(jù)兩種數(shù)據(jù)類型。其中“0X01H”表示中斷數(shù)據(jù)， “0X02H”表示周期采集數(shù)據(jù)。
利用設備標識，在無線傳感器網絡中，傳感器節(jié)點在此域中寫入自己的短地址的低字節(jié)作為自己的標志，上級網絡根據(jù)這個標志就可以知道是哪個設備的數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)域是數(shù)據(jù)幀的主要部分。在無線傳感器網絡中，數(shù)據(jù)域包括系統(tǒng)定義的幾種參數(shù)測量值(3字節(jié)ASII碼)。在系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)幀格式中，各個參數(shù)的位置是固定不變的，順序依次為溫度值、濕度值、節(jié)點電池電壓值，因此，數(shù)據(jù)域的長度為固定的9字節(jié)。存放測量值的數(shù)據(jù)域每次都在傳感器點采集數(shù)據(jù)前都將民初始化為全0，這樣，如果某個參數(shù)沒有傳遞過來自己的測量值，上級設備就可以根據(jù)某段數(shù)據(jù)是否為全0來判斷數(shù)據(jù)是否成功采集。
3．2 中心控制節(jié)點程序設計
中心控制節(jié)點是無線傳感器網絡與監(jiān)控中心交互的關鍵部分。它作為無線傳感器網絡的協(xié)調器，可建立一個新的ZigBee無線通信網絡，以負責網絡標識符的選取，并允許加入網絡，實施節(jié)點綁定；接收傳感器節(jié)點的環(huán)境數(shù)據(jù)，并進行預處理；同時，還通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)分析和處理。因此，中心控制節(jié)點應該一直處于活躍的工作狀態(tài)，時刻監(jiān)聽無線數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)，其中心控制節(jié)點的設計流程如圖5所示。
中心控制節(jié)點在無線傳感器網絡中充當著協(xié)調器的角色，它應該具有建立一個新的網絡并允許其他節(jié)點加入的能力；同時，中心控制節(jié)點還要實現(xiàn)無線傳感器網絡和監(jiān)控中心計算機的數(shù)據(jù)通信功能。中心控制節(jié)點工作時，首先用電源開關S1啟動監(jiān)測站網關，以開始建立一個新的網絡過程，并進行串口初始化。監(jiān)測站網關的應用程序應通過應用層接口與協(xié)議棧連接，從而建立網絡、允許加入網絡和綁定等，而且這些工作應在協(xié)議棧內自動完成。
初始化完畢后，中心控制節(jié)點即進入一個無限循環(huán)。在此循環(huán)中，中心控制節(jié)點首先判斷是否有串口中斷指令，然后響應指令，并將指令廣播發(fā)送到傳感器節(jié)點；若無串口中斷數(shù)據(jù)，則偵聽空中無線數(shù)據(jù)，若偵聽到無線數(shù)據(jù)經加和校驗判斷為有效數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到監(jiān)控中心。
3．3 傳感器節(jié)點程序設計
考慮到節(jié)點對能耗的要求，節(jié)點不應該一直不停歇的對監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境參數(shù)進行采集，因此，本系統(tǒng)為傳感器節(jié)點設計了周期采集和睡眠兩種工作模式。在周期采集模式下，網絡中采集數(shù)據(jù)的節(jié)點將按照設定的時間間隔和循環(huán)采集次數(shù)對環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集和上傳，當采集發(fā)送指定次數(shù)后，傳感器節(jié)點自動進入睡眠模式。傳感器節(jié)點的工作流程如圖6所示。
傳感器節(jié)點初始化工作完成后，即可運行ZStack協(xié)議棧，以自動完成加入網絡、建立鄰居表等底層操作。應用層在收到成功入網的事件消息后，將設置睡眠定時器并開啟全局中斷，此后節(jié)點將進入睡眠狀態(tài)以實現(xiàn)低功耗工作。在睡眠狀態(tài)下，傳感器節(jié)點的大部分內部電路掉電關閉，只有上電復位、外部中斷、32．768 kHz睡眠時鐘處于活躍狀態(tài)，但此時傳感器節(jié)點能夠時刻偵聽空中的無線數(shù)據(jù)。在睡眠模式下，若傳感器節(jié)點偵聽到無線數(shù)據(jù)，則對接收到的數(shù)據(jù)進行解析。若為有效的周期采集命令，則喚醒傳感器節(jié)點進入周期采集工作模式，同時設置周期采集時間間隔Tc和采集次數(shù)N。開始循環(huán)采集上傳環(huán)境數(shù)據(jù)。當采集發(fā)送到指定次數(shù)時，傳感器節(jié)點又自動進入睡眠偵聽模式。
若傳感器節(jié)點未偵聽到無線數(shù)據(jù)，則判斷睡眠定時器是否溢出，若睡眠定時器未溢出，則繼續(xù)睡眠偵聽；反之，定時器溢出中斷觸發(fā)一次環(huán)境數(shù)據(jù)采集過程，并判斷環(huán)境參數(shù)是否超出閾值，若超出閾值，則啟動報警電路，并將異常數(shù)據(jù)打包發(fā)送到監(jiān)測站網關；如果采集到的環(huán)境參數(shù)在正常范圍內，則丟棄該數(shù)據(jù)，節(jié)點繼續(xù)睡眠偵聽。
4 結束語
本文提出了無線傳感器網絡環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構、底層硬件和應用程序軟件的設計方法。該系統(tǒng)經連接測試可組成多層分簇無線網絡，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，并可達到預期效果，同時系統(tǒng)穩(wěn)定性、響應速度等性能都可滿足實際需求。此外，本系統(tǒng)還具有良好的擴展性，可以根據(jù)具體要求方便地在數(shù)據(jù)采集模塊上進行相應傳感器的擴充以完成特定數(shù)據(jù)采集的需要。Zigbee無線傳感器網絡因其組網靈活、節(jié)點耗電低、可自動恢復等強大功能，其應用領域將會越來越廣泛。
