張大為，皮之軍，劉 迪

（1.海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺(tái) 264001；2.海軍航空工程學(xué)院 訓(xùn)練部，山東 煙臺(tái) 264001）

隨著通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）的應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛[1-2]。本文以FS2410DEV V6.0為硬件平臺(tái)，以智能交通管理系統(tǒng)為應(yīng)用實(shí)例，基于WSN和ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一種現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，無線數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)分析、處理以及WEB瀏覽等功能。具有功耗低、組網(wǎng)能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高、拓展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3]。

1 系統(tǒng)組成

本文采用的WSN是由一組傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，發(fā)布給集中控制中心。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。WSN節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線數(shù)據(jù)收發(fā)單元以及小型電池單元組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用各節(jié)點(diǎn)的加速傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)經(jīng)調(diào)理后通過節(jié)點(diǎn)微處理器的AD轉(zhuǎn)換單元，節(jié)點(diǎn)微處理器將數(shù)據(jù)從從XBEE-PRO芯片無線傳輸?shù)街鱔BEE-PRO芯片，主XBEEPRO芯片通過串口進(jìn)入S3C2410處理器，S3C2410處理器作為網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以后，通過以太網(wǎng)口接入PC機(jī)服務(wù)器，PC機(jī)服務(wù)器采用MFC搭建人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的分析、處理，并通過因特網(wǎng)實(shí)時(shí)公布交通情況。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Diagram of data acquisition system composition

1.1 加速傳感器

利用加速傳感器檢測車輛和路況。傳感器模塊通過檢測過往車輛加速度的變化來檢測車輛，本文加速傳感器選用ADXL202兩軸向傳感器。首先對(duì)節(jié)點(diǎn)編寫程序以得到檢測區(qū)域的加速度采樣，繼而使用上位機(jī)軟件對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)觀測車輛經(jīng)過時(shí)，可在短時(shí)間內(nèi)形成算法的原型，計(jì)數(shù)算法使用偏離基線的加速度值來操縱狀態(tài)機(jī)，由狀態(tài)機(jī)做出計(jì)數(shù)操作。驅(qū)動(dòng)狀態(tài)機(jī)從半激活狀態(tài)到計(jì)數(shù)狀態(tài)，信號(hào)必須偏離負(fù)相基線的臨界值。如果狀態(tài)機(jī)在半激活狀態(tài)且小于臨界值超過500 μs時(shí)，狀態(tài)機(jī)重置到未激活狀態(tài)。檢測算法中的磁滯可用于檢測一輛接一輛快速流動(dòng)的交通情況，能夠降低基線的漂移和噪聲對(duì)臨界值的影響。由于鄰近車道上的大型車輛不能引起在兩個(gè)方向上的離散的加速度偏離，所以也能排除鄰近車道上的車輛干擾。

由于傳感器直接安裝到路面上，它還能檢測路況信息，比如檢測路面是否有冰雪、積水等覆蓋。具體實(shí)現(xiàn)上，是通過使用電容性傳感器來感應(yīng)傳感器表面材料的絕緣性或?qū)щ娦浴４朔椒ㄖ饕糜诹黧w的檢測，能夠以低成本低能量得到冰雪、積水等信息的穩(wěn)定監(jiān)測?；谖⒖刂破飨到y(tǒng)以10位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行同步采樣就能實(shí)現(xiàn)低成本的電容性感應(yīng)。其中一端附于微控制器的輸出針腳，連接到傳感器節(jié)點(diǎn)表面的電極上；另一端附于鄰近的電極，通過一個(gè)簡單的FET放大器連接到A/D轉(zhuǎn)換器輸入針腳上。微控制器不斷地以1 V步長通過電極，等待幾微秒，采樣輸入A/D。微控制器使用同步解調(diào)來檢測電容變化。另一種方法是測量溫度變化來檢測路況，如溫度大于冰點(diǎn)，路面就不可能有冰；同樣，如果溫度小于等于冰點(diǎn)，則路面有可能結(jié)冰，此外，路面上的溫度與空氣溫度的變化比率是由節(jié)點(diǎn)表面材料的熱容決定的。

1.2 信號(hào)調(diào)理電路

利用信號(hào)調(diào)理電路對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理。信號(hào)調(diào)理電路對(duì)ADXL202兩軸向傳感器的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、限幅，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的預(yù)處理。

1.3 微處理器

經(jīng)過預(yù)處理后的傳感器信號(hào)進(jìn)入微處理器的A/D轉(zhuǎn)換單元，本文采用的微處理器為C8051F018單片機(jī)，其內(nèi)部集成10位A/D轉(zhuǎn)換器，外部時(shí)鐘為24 MHz，其執(zhí)行速度足以滿足系統(tǒng)要求。C8051F018單片機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 C8051F018單片機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 C8051F018 single chip microcomputer structure

1.4 XBEE-PRO芯片

微處理器通過XBEE-PRO芯片進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的XBEE-PRO充當(dāng)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，然后經(jīng)其串口傳送給FS2410DEV V6.0的S3C2410，S3C2410將數(shù)據(jù)分析、處理后通過TCP/IP協(xié)議傳送給PC機(jī)服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議之間的數(shù)據(jù)互傳。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)底層軟件、MFC上位機(jī)軟件和監(jiān)控中心平臺(tái)程序的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及無線通信、ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)、TCP/IP以太網(wǎng)通信、單片機(jī)底層軟件等方面[4]，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。初始化系統(tǒng)主要包括初始化WPAN信息數(shù)據(jù)庫，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)和16位網(wǎng)絡(luò)地址，初始化鄰居設(shè)備表，等待車載ZigBee無線節(jié)點(diǎn)連接。當(dāng)車輛進(jìn)入主節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)時(shí)，接收主節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，發(fā)送掃描信號(hào)請(qǐng)求連接，連接成功后，記錄網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)和分配的16位網(wǎng)絡(luò)地址，向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送車輛信息，完成車輛登記。監(jiān)控中心平臺(tái)為本系統(tǒng)的集中管理平臺(tái)，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的處理、記錄、調(diào)度，通過以太網(wǎng)與各出入口主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過通用組件自動(dòng)生成記錄表單以供查閱及打印，同時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫車輛狀態(tài)。若一切正常，則回復(fù)確認(rèn)信息給主節(jié)點(diǎn)；若出現(xiàn)異常狀態(tài)則回復(fù)控制命令給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)收到命令后執(zhí)行相應(yīng)操作，同時(shí)在用戶界面上顯示異常狀態(tài)以通知監(jiān)控中心工作人員。

2.2 基于以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸

以太網(wǎng)采用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了無差錯(cuò)無重復(fù)的順序數(shù)據(jù)傳輸。在應(yīng)用程序利用TCP進(jìn)行通信時(shí)，源和目標(biāo)之間會(huì)建立一個(gè)虛擬連接。這個(gè)連接一旦建立，兩通信設(shè)備之間就可把數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)雙向字節(jié)流進(jìn)行交換。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)是TCP客戶端，具體實(shí)現(xiàn)上，首先調(diào)用socket函數(shù)建立流式套接字，然后調(diào)用connect函數(shù)，請(qǐng)求與服務(wù)器端建立TCP連接，成功建立連接后，就可同服務(wù)器端進(jìn)行通訊。基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用程序采用多線程方式編寫實(shí)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用程序流程圖如圖3所示。一個(gè)線程用于接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器CC2430從串口發(fā)來的數(shù)據(jù)，另一個(gè)線程用于編寫基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)套接字程序與服務(wù)器進(jìn)行通信。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.3 Flow chart of system software design

設(shè)計(jì)中還需考慮降低成本和每個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性。由于節(jié)點(diǎn)沒有接收指令的內(nèi)在需求，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有發(fā)送器，沒有接收器。然而，由于標(biāo)準(zhǔn)無線信道技術(shù)需要發(fā)送和接收的參與，缺少接收器將使無線協(xié)議復(fù)雜化。WSN的傳輸協(xié)議非常簡單:每個(gè)節(jié)點(diǎn)在60 s內(nèi)隨機(jī)選擇時(shí)隙來發(fā)送。如果在隨機(jī)選擇的時(shí)間上檢測到車輛，它將等待車輛通過后再發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)測試

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的2個(gè)小節(jié)點(diǎn)采用電池供電，基于測試方便的考慮將節(jié)點(diǎn)設(shè)置成全功能的路由器節(jié)點(diǎn)，每節(jié)點(diǎn)只接一個(gè)加速度傳感器。設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)安放在待測試區(qū)域，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的CC2430設(shè)置成協(xié)調(diào)器，并采用12 V、2 A的電源適配器供電。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和2個(gè)小節(jié)點(diǎn)就構(gòu)成一個(gè)樹型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。將1臺(tái)具有靜態(tài)IP地址的PC機(jī)用作遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行測試。測試內(nèi)容包括測試網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)配置ZigBee網(wǎng)絡(luò)；基于以太網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)；基于SMS方式數(shù)據(jù)傳輸及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。首先在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)配置應(yīng)用程序，而后啟動(dòng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。具體操作上，輸入配置命令SP（發(fā)送周期）、節(jié)點(diǎn)ID號(hào)1、節(jié)點(diǎn)發(fā)送周期參數(shù)值為3 min，然后點(diǎn)配置按鈕，若配置成功彈出“ZigBee Config Success！”對(duì)話框，否則，彈出“fails”對(duì)話框。在服務(wù)器上運(yùn)行TCP/UDP測試工具，然后運(yùn)行網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用程序，在操作界面輸入PC機(jī)服務(wù)器的IP地址、端口號(hào)，再啟動(dòng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，在設(shè)定的采集周期內(nèi)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)串口1將收到各節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析處理后在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上顯示并以以太網(wǎng)方式傳送給PC機(jī)服務(wù)器[5]。

測試結(jié)果表明：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠成功配置ZigBee網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的射頻單元電路正確、可靠，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的CC2430能夠成功擔(dān)當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，并能成功修改ZigBee網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠成功地將協(xié)調(diào)器收集到的數(shù)據(jù)以以太網(wǎng)的方式轉(zhuǎn)發(fā)給PC服務(wù)器，以太網(wǎng)通信接口設(shè)計(jì)正確，采用線程編程、基于網(wǎng)絡(luò)套接字的編程策略合理、正確；通過測試表明本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)功能符合設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用程序流程圖Fig.4 Flow chart of data transmission application program

4 結(jié) 論

文中以WSN為技術(shù)支撐，以智能交通管理系統(tǒng)為應(yīng)用實(shí)例，基于ZigBee協(xié)議設(shè)計(jì)了一種智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測試表明該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸方面具有以下優(yōu)越性：功耗低，2節(jié)普通5號(hào)電池可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月；組網(wǎng)能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)最多可達(dá)多個(gè)節(jié)點(diǎn)，并支持樹狀、星狀、網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)方式；傳輸距離遠(yuǎn)，兩節(jié)點(diǎn)室外傳輸距離可達(dá)幾百米，在增加發(fā)射功率后可達(dá)幾千米；可靠性高，具備多級(jí)安全模式；成本低，開放的簡化ZigBee協(xié)議棧工作在2.4 GHz免費(fèi)的ISM頻段。另外，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通用性和可移植性較好，只要稍加改造就能應(yīng)用于無人值守、遙控遙測、車輛安全等遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中[6]，拓展能力強(qiáng)，應(yīng)用前景十分廣闊。

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