隨著計算機技術和無線通信技術的快速發(fā)展，各種智能化產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，其中無線傳感器網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Networks)[1]具有無線通信、感知、協(xié)作等特點，并很快融入到生活的方方面面。在大型超市、高檔小區(qū)、辦公樓里常常需要適時監(jiān)測區(qū)域環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度及有毒氣體的濃度，以保障生命財產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)布線煩瑣，消耗人力。ZigBee技術作為一種新興的短距離無線傳感器網(wǎng)絡通信標準，具有低功耗、低延遲、自組織等優(yōu)點[2]，因而廣泛應用到生產(chǎn)、生活領域，市場前景非常廣闊。

    ZigBee標準基于IEEE 802.15.4低速率無線個人局域網(wǎng)，支持介質(zhì)訪問控制層和物理層標準，并在此之上包含網(wǎng)絡層、安全層和應用層，具備很強的設備聯(lián)網(wǎng)能力，它支持網(wǎng)狀結構、星狀結構及樹狀結構三種自組織無線網(wǎng)絡拓撲類型結構[3]。本文基于ARM9控制平臺實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡信息的實時顯示和ZigBee節(jié)點設備的控制。該無線傳感器網(wǎng)絡室內(nèi)環(huán)境遠程監(jiān)控平臺，以ZigBee芯片CC2530作為傳感器節(jié)點控制和無線通信芯片，實現(xiàn)溫度、濕度和氣壓等環(huán)境信息的感知。
1 系統(tǒng)方案設計
    控制平臺基于WSN技術和嵌入式技術,借鑒了國內(nèi)外優(yōu)秀環(huán)境監(jiān)測研究經(jīng)驗，設計了基于CC2530芯片采集傳感器數(shù)據(jù)的ZigBee無線網(wǎng)絡和基于ARM9的網(wǎng)絡控制臺。
1.1 系統(tǒng)總體功能介紹
    本系統(tǒng)實現(xiàn)圖形化網(wǎng)絡拓撲結構的動態(tài)構建和管理，以及圖形化控制ZigBee節(jié)點設備；支持多跳網(wǎng)絡；支持外界環(huán)境狀態(tài)信息感知，傳感器數(shù)據(jù)精確采集、無線傳輸和顯示，當環(huán)境信息超過臨界值時報警等功能。
1.2 系統(tǒng)框架設計
    系統(tǒng)由ARM控制臺模塊、基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊及網(wǎng)關模塊三個主體部分構成，系統(tǒng)框架結構如圖1所示。

    控制臺模塊采用ARM9芯片作為處理器，基于Linux操作系統(tǒng),搭配自制底板作為控制臺軟件運行環(huán)境，采用QT-4.5.3作為應用程序開發(fā)框架進行控制臺軟件開發(fā)。
    無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊采用基于IEEE 802.15.4標準的ZStack-CC2530協(xié)議棧開發(fā)，完成ZigBee網(wǎng)絡建立、維護以及傳感器數(shù)據(jù)采集、節(jié)點控制等功能。傳感器節(jié)點由ZigBee節(jié)點融合傳感器構成。
    (1) ZigBee節(jié)點。包括協(xié)調(diào)器節(jié)點，路由器節(jié)點和終端節(jié)點,采用ZigBee芯片CC2530自主設計和繪制電路圖以及外圍硬件電路。CC2530是一款SoC芯片，集成了處理器、無線電和串口等外設。
    (2) 傳感器。包括溫濕度傳感器，振動傳感器及壓力傳感器等，用于對環(huán)境狀態(tài)信息的動態(tài)感知。
    網(wǎng)關模塊采用集成于ARM平臺的串行口，通過UART方式連接ZigBee協(xié)調(diào)器與控制臺，根據(jù)預定的幀進行通信。上行和下行的數(shù)據(jù)都通過網(wǎng)關在網(wǎng)絡上傳輸，由其負責數(shù)據(jù)包的解析和轉(zhuǎn)發(fā)。
1.3 系統(tǒng)通信協(xié)議及數(shù)據(jù)格式設計
    本系統(tǒng)在控制臺與ZigBee協(xié)調(diào)器之間，使用UART傳輸數(shù)據(jù)；在ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點之間都按照ZigBee協(xié)議實現(xiàn)通信。控制臺、網(wǎng)關、ZigBee網(wǎng)絡之間按照約定的數(shù)據(jù)幀格式進行數(shù)據(jù)包傳遞，幀結構由幀頭、數(shù)據(jù)負載、幀尾三部分組成，如圖2所示。

    (1) 1 B的幀頭0XFB和1 B的幀尾0XFE。
    (2) 1 B的幀長度和1 B的幀負載屬性。
    (3) 多個字節(jié)的業(yè)務負載數(shù)據(jù)，ZigBee網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)業(yè)務主要有節(jié)點設備描述符、節(jié)點設備數(shù)據(jù)、狀態(tài)和控制業(yè)務。
    節(jié)點設備描述符用于描述當前ZigBee節(jié)點的短地址、長地址，以及節(jié)點所掛載的傳感器類型和數(shù)目；節(jié)點設備數(shù)據(jù)為傳感器實時采集的環(huán)境數(shù)據(jù)；狀態(tài)和控制業(yè)務為用戶發(fā)出指令。
2 無線傳感器網(wǎng)絡程序設計
    無線傳感器網(wǎng)絡基于ZStack-CC2530-2.2.0-1.3.0開發(fā)，實現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡的構建,內(nèi)部使用小型操作系統(tǒng)OSAL[3]，實現(xiàn)任務和消息的管理。數(shù)據(jù)采集和傳輸由自定義傳感器數(shù)據(jù)采集任務在應用層登記串口消息后，交由OSAL管理完成。
2.1 傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸程序設計
    本文所述的網(wǎng)絡是由協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點構成的樹狀網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器節(jié)點建立網(wǎng)絡，其他節(jié)點則主動尋找連接協(xié)調(diào)器的最小代價路由[3]。所有節(jié)點上電之初將發(fā)送節(jié)點的設備描述符，并周期上傳節(jié)點在線狀態(tài)信息。終端節(jié)點采集傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)路由器轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器。
2.2 串口數(shù)據(jù)傳輸程序設計
    串口作為命令和數(shù)據(jù)傳輸接口，協(xié)議棧默認登記在MT層[4]，本系統(tǒng)將串口消息登記到應用層，并在應用層完成處理。初始化串口并注冊好回調(diào)函數(shù)后，當串口接收緩沖非空時，就會觸發(fā)系統(tǒng)消息事件。回調(diào)函數(shù)首先檢測串口命令的起始標識，獲得起始標識后，按照系統(tǒng)定義的串口命令格式讀取緩沖區(qū)，同時填充到預先分配的結構內(nèi)存區(qū)間。結束標識用于校驗該串口命令是否發(fā)生誤操作、誤傳輸。若傳輸正確，則將串口命令按照定義的消息格式登記到應用層處理。
3 控制臺軟件程序設計
    控制臺主要由網(wǎng)關通信功能塊、網(wǎng)絡拓撲控制與顯示功能塊，設備控制與顯示功能塊構成，實現(xiàn)人機交互，實現(xiàn)對設備的控制和對數(shù)據(jù)的處理、顯示。
3.1 控制臺總體結構介紹
    控制臺有4個功能界面，分別為網(wǎng)絡拓撲主界面、設備列表界面、全局控制界面及設備控制界面。各界面之間彼此聯(lián)系、共享數(shù)據(jù)，總體框架如圖3所示。

3.2 控制臺功能設計
    控制臺實現(xiàn)兩方面的功能：(1)處理來自網(wǎng)關模塊的數(shù)據(jù)，根據(jù)節(jié)點描述符完成ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)構建和節(jié)點狀態(tài)信息動態(tài)直觀展示，并根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)動態(tài)顯示相應信息。(2)接收用戶指令，發(fā)送相應的控制數(shù)據(jù)包給網(wǎng)關模塊,并轉(zhuǎn)發(fā)至ZigBee協(xié)調(diào)器，完成對設備的精確控制，如打開、關閉設備，控制采集頻率等。
    圖3中網(wǎng)絡拓撲主界面用于ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)構建和節(jié)點狀態(tài)信息動態(tài)展示；設備列表界面展示每個ZigBee節(jié)點上傳感器硬件信息；全局控制界面針對特定ZigBee節(jié)點進行整體控制；設備控制界面區(qū)別于全局控制界面，用來控制ZigBee節(jié)點上指定標簽的傳感器設備。
3.3 通信網(wǎng)關程序設計
    網(wǎng)絡通信接口作為網(wǎng)關，負責ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器與控制臺軟件之間數(shù)據(jù)包的解包與封包，并按照數(shù)據(jù)幀結構進行通信。通過串口連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。
    通信網(wǎng)關結構如圖4所示，網(wǎng)關不僅負責將上位機接收到的用戶下行命令封包,并遞送到ZigBee協(xié)調(diào)器，并轉(zhuǎn)發(fā)到相應無線節(jié)點，而且還負責ZigBee網(wǎng)絡上行數(shù)據(jù)包的解包，并遞送到控制臺。

    由于ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包接收速率和控制臺處理速率之間不匹配,本系統(tǒng)采用循環(huán)隊列對數(shù)據(jù)進行緩沖，以匹配兩端數(shù)據(jù)速率的不平衡。讀、寫循環(huán)隊列函數(shù)采用多線程實現(xiàn),線程一實現(xiàn)讀取串口數(shù)據(jù)并寫入隊列;線程二實現(xiàn)讀取循環(huán)隊列數(shù)據(jù)交由控制臺處理。線程之間利用互斥鎖和條件對臨界區(qū)進行保護,以實現(xiàn)同步。通過信號來喚醒。程序主體部分由一個主進程負責維護兩個子線程，兩個子線程分別對循環(huán)隊列進行讀寫操作。環(huán)形緩沖區(qū)以互斥鎖實現(xiàn)單生產(chǎn)，單消費模式,可有效節(jié)省空間,提高數(shù)據(jù)的處理速度。
    在無線傳輸過程中可能發(fā)生丟包或者亂碼。產(chǎn)生丟包則網(wǎng)關讀取的數(shù)據(jù)不是完整的一幀；而出現(xiàn)亂碼則雖然收到完整的一幀數(shù)據(jù)，但是其中部分字節(jié)已經(jīng)出現(xiàn)錯誤。只有當收到數(shù)據(jù)為完整的數(shù)據(jù)幀并且無亂碼時，才能調(diào)用解析函數(shù)進行解析。
    針對傳輸中的丟包和亂碼，網(wǎng)關模塊使用了兩種數(shù)據(jù)校驗方法：一種是幀頭、幀尾檢測法，用于驗證完幀的完整性；另一種為增加校驗碼法，用于檢驗數(shù)據(jù)包是否發(fā)生丟包。
    網(wǎng)關程序流程如圖5所示，圖中由主進程產(chǎn)生兩個子線程，主進程運行run_module，負責初始化，包括打開串口，設置循環(huán)隊列，產(chǎn)生子線程等。由主進程產(chǎn)生的兩個子線程分別為寫線程write_rs232和讀線程read_rs232。寫線程讀取串口的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到循環(huán)隊列中，讀線程從循環(huán)隊列讀取并解析數(shù)據(jù)。如果寫線程有數(shù)據(jù)，將會使讀線程阻塞并等待寫線程完畢，讀線程讀取數(shù)據(jù)后也會發(fā)送信號到阻塞的寫線程，采用互斥鎖和條件變量的同步方式保護了共享數(shù)據(jù)區(qū)不被破壞，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)同步。

3.4 網(wǎng)絡拓撲控制與顯示程序設計
    網(wǎng)絡拓撲控制與顯示功能部分對來自ZigBee網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，裁決模塊將根據(jù)最近30 s收到的傳感器節(jié)點信息來判定某ZigBee節(jié)點是否掉線，掉線或復活都將重構網(wǎng)絡拓撲圖，并更新全局存儲區(qū)。
    在網(wǎng)絡拓撲頁設置周期2 s的定時器QTimer，用于周期更新網(wǎng)絡拓撲結構。時間到，則提取共享存儲區(qū)中的全局變量，檢測是否存在超出30 s還未向控制臺報告存活狀態(tài)信息的節(jié)點。若存在,則初始化這樣的ZigBee節(jié)點為灰色，并失活此節(jié)點，如果再次檢測到該節(jié)點上線，則恢復其缺省顏色并激活。采用另一個共享內(nèi)存區(qū)存儲網(wǎng)絡結構，提高網(wǎng)絡拓撲顯示速度，若網(wǎng)絡拓撲有變動，則更新此共享區(qū)。
    本平臺采用的設備描述符包含64 bit長地址，避免了因個別節(jié)點死掉后重新上線，而協(xié)調(diào)器將重新分配短地址避免導致網(wǎng)絡拓撲結構中出現(xiàn)一個實際節(jié)點對應多個顯示節(jié)點的錯誤。在構建拓撲圖的過程中，線性掃描每個終端節(jié)點，遞歸建立網(wǎng)絡拓撲。
3.5 傳感器數(shù)據(jù)顯示與設備控制程序設計
    控制臺接收用戶指令，根據(jù)指令裁決器決定設備列表顯示或傳感器數(shù)據(jù)顯示。對設備控制結果由控制回饋模塊顯示，成功則表明指令已經(jīng)傳至網(wǎng)關，但不能確定遠程ZigBee節(jié)點是否收到該指令。
    控制臺讀取用戶給定的指令，交由裁決器判斷用戶指令類型，若為傳感器數(shù)據(jù)顯示指令，則進入傳感器指令顯示界面，并提取傳感器數(shù)據(jù)全局變量，以1 s為周期動態(tài)顯示傳感器數(shù)據(jù)；若為設備控制指令，則進入設備控制界面，根據(jù)用戶指定的設備地址和編號，發(fā)送控制命令至遠程節(jié)點。
4 平臺測試與數(shù)據(jù)指標
    無線網(wǎng)絡由 1個協(xié)調(diào)器節(jié)點、1個路由器節(jié)點及7個終端節(jié)點構成。終端節(jié)點都掛有溫/濕度傳感器，振動傳感器及壓力傳感器。節(jié)點距離在10 m~20 m之間，多個終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間有墻體阻擋， 通過路由器接入網(wǎng)絡進行測試。
    測試1：每個ZigBee節(jié)點加入網(wǎng)絡，網(wǎng)絡拓撲結構都能正確顯示，且路由器斷電后，其子節(jié)點尋找最近的父節(jié)點并加入網(wǎng)絡，重構網(wǎng)絡拓撲。
    測試2：控制臺正確顯示遠程ZigBee節(jié)點上的傳感器設備。
    測試3：傳感器關閉、打開、周期采集等控制功能測試正常。
    測試4：分別測試各個ZigBee節(jié)點不同時間的傳感器數(shù)據(jù)值，結果顯示準確。
    測試5：在測試1的基礎上，測試網(wǎng)絡丟包和數(shù)據(jù)速率。實際測試得到ZigBee無線網(wǎng)絡穩(wěn)定數(shù)據(jù)速率為20.5 kb/s，發(fā)送速率越高，則丟包率越高。
    本文設計的基于CC2530的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控平臺具有較強的網(wǎng)絡穩(wěn)定性，且丟包率和失誤率較小，網(wǎng)絡拓展能力較強，可搭建不同的網(wǎng)絡拓撲結構以適應復雜的實際環(huán)境；能實時感知環(huán)境狀態(tài)信息并交互處理，控制遠程傳感器設備。將此技術用于環(huán)境監(jiān)控是一種可行的技術方案,也是未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個方向。
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