基于 WSN的室内多点监测系统设计与实现论文

Design and Implementation of Indoor Multipoint Monitoring System Based on WSN

ZHANG Yalin
(Guangzhou College of Applied Science and Technology, Guangzhu Guangdong 511370)
 

【Abstract】： Focusing on the purpose of ensuring real-time communication, reliability and minimizing wired connection, this paper designs and implements a wireless indoor multipoint monitoring system with low cost and low power consumption, which can meet users real-time viewing. The local monitoring network is mainly established through ZigBee to carry out real-time effective control and data interaction for each monitoring node. At the same time, it has good scalability.

【Key words】： ZigBee;wireless sensor network;monitor

1 系统总体设计

系统利用 ZigBee 节点和协调器组成组建 WSN 作 为室内监测网络，通过无线传感监测节点对室内的门 窗、烟雾和燃气泄漏情况进行监测，将监测到的防盗、 温湿度和燃气数据上传至协调器 ；并对各监测节点进行 实时有效控制。从而实现全方位的安全监测。本系统共 分为四个组成部分 ：

（1）烟雾（燃气）监测节点 ：此子系统由传感器 MQ-2 和 ZigBee 节点组成。当在传感器所处环境中有可燃气 体存在时，会导致传感器的电导率变化。采集的数据在 ZigBee 节点的 CPU 中经过模数转换，然后将数据传给 WSN 中的汇聚节点。（2）人体感应监测节点 ：此子系统由人体红外热释传感器和 ZigBee 节点组成。通过热 释电红外传感器监测门口和窗户附近的移动物体。将采 集到的数据传给 WSN 中的汇聚节点。（3）温湿度监测 节点 ：温湿度监测子系统设计方案是使用 DH11 单总线 传感器来采集温湿度的值，由 ZigBee 节点进行处理并上传至 WSN 中的汇聚节点。（4）基于 ZigBee 的 WSN ： WSN 由 ZigBee 汇聚节点创建，然后各个监测子节点加 入 WSN。组网成功后，汇聚节点负责将 WSN 外部设备 的命令下发至各个监测节点，各个监测节点根据汇聚节 点的命令去执行采集和上传数据。汇聚节点将各个节点 的数据汇总，然后上传。
 

2 系统功能设计

ZigBee 协调器（Coor_ZigBee） 通过无线连接右 边的 ZigBee 节点设备，并负责和所有 WSN 中采集节 点之间的通信连接与数据交互。主控节点（WSN 中协 调器 Coor_ZigBee) 负责连接 WSN 外部设备并与其交 互数据，还要负责转发控制命令到 WSN 中各采集节点和接收 WSN 中各采集节点的数据。终端节点将各自传 感器采集的数据发送到主控节点。然后，主控节点将该 信息传送到终端节点。终端节点还要接收主节点转发的 控制命令并进行处理 [1]。总体框架图 1 所示 ：
                                                                                                  

（1）ZigBee 终端节点 ( 采集节点 )。ZigBee 采集节点集成在采集控制板上，通过排针与 MCU 通讯完成数 据的无线传送与接收 [2]。（2）ZigBee 主控节点（WSN 中协调器 Coor_ZigBee)。主控节点（WSN 中协调器 Coor_ ZigBee) 负责组建网络并进行对 WSN 的控制与管理。主 要功能 ：连接 WSN 外部设备 ；收集整个 WSN 的数据 ； 下发控制命令到 WSN 中各终端节点 ( 采集节点 )。

3 系统流程设计

3.1 WSN 组网

首先，通过协议栈建立一个主控节点（WSN 中协调器 Coor_ZigBee)，并添加一个或多个路由器与终端设备节点。通过工程选择设备角色，设置网络参数，添加响应（业务逻辑），设置收发的关键事件与触发时刻。从而设计好网络的拓扑结构。然后，在协议栈中对网络进行测试。包括成功组网的测试、定时事件的测试、协议栈收发包接口设计、数据包接收事件的测试。最后，分别设置主控节点设备和监测节点设备各自的触发事件、处理函数和收发数据包的格式。分别下载各自对应的代码，就可实现无线自组织局域网通信。

利用 ZStack 进行二次开发。其中，把不同的接口 以类的形式分成了不同的文件夹，以便于管理和使用。 详见表 1。
 

3.1.1 ZStack 具体配置

（1）遵循 zigbee 通信协议标准（设备角色 ：协调 器、路由、终端节点）。使用“DZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0xFFFF”配置网络 ID（0x1-0x3FFF）。（2） 通信地 址 ：通过协议栈进行以下通信地址的管理。IEEE MAC 长地址（64bit）：全球唯一，出厂时已经确定。短地址 （16 位）：协调器自动为其分配短地址，随机生成，每 次均不同（降低负担，提高数据包利用率）。

3.1.2 协议栈的启动流程

任务调度初始化→任务轮询处理→用户任务操作实 现。具体开发流程如 ：（1）必须有且只有一个协调器， 可以有路由或者终端节点连入（只要两个设备就可以组 网）；（2）通过工程选择设备角色 ；（3）设置网络 ID ；- DZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0xFFFF（自 定 义 为 0x1- 0x3FFF）；-DDEFAULT_CHANLIST=0x00000800（信道 设 置 11-0x0B） ；（4）  在 SampleApp_ProcessEvent( ) 中添加业务逻辑 ；（5）收发的关键事件与触发时刻 [3]。 协调器从没有网络到组建起网络，并触发网络状态变更 事件 ZDO_STATE_CHANGE。路由 / 节点从没有接入网络到接入网络，触发网络状态变更事件，触发处理函 数 SampleApp_ProcessEvent（）。
 

3.2 节点工作流程设计

通过 ZigBee 构建的 WSN，主节点实时无线与各 终端节点进行数据交互 ；并对收集的信息进行分析比 对。并将结果是否达到警告、警报阈值。

（1）ZigBee 主控节点（WSN 中协调器 Coor_ZigBee)。 主节点完成对终端节点的任务分发和数据收集。并根据相应的数据收集与分发协议，分析和传送数据。工作流 程如图 2 所示。

（2）ZigBee 终端节点 ( 监测采集节点 )。ZigBee 终 端节点完成对具体设备的控制，同时接受主节点的控制。
并完成与二者的数据交互 [4]。工作流程如图 3 所示。
 

 

4 系统测试

系统测试借助云网关收集（WSN）节点监测信息， 同时接收手机客户端的控制命令接受与下发。具体执行 内容有两方面。一是，接收手机下发的网络控制数据，将该数据翻译转换成串口协议，写到协调器，让协调器 将控制命令下达到具体的节点。二是，将协调器收集的 数据，通过套接口发送给云服务器。具体实施需要建立 两个线程，一个负责和网络交互数据，另一个负责和协调器交互数据。线程 1，从网络上获取网络数据，并进 行分析与转发。线程 2，操作串口，实现与协调器的数 据操作。从串口上获取数据，发送至云端。另外，系统 中的数据主要是手机下发的命令、协调器和终端节点处 理的数据和网络中的数据。几者之间数据格式不一致， 不能直接收发和读写。为了使数据格式统一，编制了数 据格式控制协议。移动终端和云一次可传输 5 个字节的 有效数据，分别对应 5 个监测节点（每个终端有 8 个数据位，见表 2）。
 

 

 主控节点将监测终端节点数据收到后，通过 WiFi 将数据传入手机 App 中。显示效果示例如图 4。
 

 

参考文献

[1] 韩秀锋.智能家居安防系统设计与实现[D].大连:大连理工大 学,2009.
[2] 张海军.智能家居安防系统的设计与实现[J].电子制作,2016 (11):41-42.
[3] 张振江.智能与生态住宅无线监控系统的研究与设计[D].西 安:西安建筑科技大学,2012.
[4] 陈保站.基于ZigBee的温室环境参数多路监控系统[D].杨 凌:西北农林科技大学,2014.

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