周鵬 章偉 張小強(qiáng)

摘 ?要： 由于通過有線傳輸傳感器數(shù)據(jù)來監(jiān)測現(xiàn)有房屋安全的方式花費(fèi)高，布線繁瑣，線路后期維護(hù)成本高等原因，在此以ZigBee技術(shù)為平臺，設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸傳感器數(shù)據(jù)的監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和無線傳感器節(jié)點，其中節(jié)點硬件包括主電路模塊、電源模塊和傳感器模塊。軟件設(shè)計是基于ZigBee技術(shù)的Z?Stack協(xié)議棧。對節(jié)點間的傳輸距離和數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性以及整個網(wǎng)絡(luò)在實際建筑物中的可行性進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)跳傳可以準(zhǔn)確地傳輸數(shù)據(jù)，并能夠在實際中應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 房屋安全; 無線傳感器網(wǎng)絡(luò); ZigBee; 數(shù)據(jù)傳輸; Z?Stack協(xié)議棧; 跳傳

中圖分類號： TN711?34; TP299 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）10?0005?05

Abstract： Since there exist problems of high cost， complicated wire routing and high expenses of later?stage wire maintenance in the mode of using wire transmission sensor data to monitor the existing building safety， a sensor data monitoring system based on wireless sensor network transmission was designed taking ZigBee technology as the platform. The system consists of coordinator node， router node， and wireless sensor node. The nodes′ hardware is composed of main circuit module， power module，and sensor module. The software design is based on the Z?stack protocol stack of Zigbee technology. The transmission distance and data transmission accuracy between nodes and the feasibility of the whole network in real building were tested. The results show that the designed wireless sensor network system can transmit data accurately by means of data hop transmission via the router， and can be applied in practice.

Keywords： building safety; wireless sensor network; ZigBee; data transmission; Z?stack protocol stack; hop transmission

0 ?引 ?言

目前我國房屋安全事故頻繁發(fā)生，部分房屋出現(xiàn)突然倒塌，造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失[1]。另外，國內(nèi)很多房屋都是20世紀(jì)八九十年代建造的，經(jīng)過這么多年的使用，它們的安全性能如何，是否對人們生命財產(chǎn)構(gòu)成威脅，都是亟待回答的問題[1]。

對于房屋安全問題，傳統(tǒng)方法是一種有線檢測的過程，其缺點是不夠?qū)崟r和全面，此外在已建的房屋中布置數(shù)據(jù)線路不僅花費(fèi)巨大，且對于后期的線路維護(hù)也將產(chǎn)生巨大的費(fèi)用。為此，基于ZigBee技術(shù)設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來監(jiān)測房屋健康安全。

1 ?ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)[2]。其MAC層和物理層是基于IEEE 802.15.4通信協(xié)議，而網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議是由ZigBee聯(lián)盟進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、大容量、高可靠性以及靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等特點，其可應(yīng)用于商業(yè)樓宇、醫(yī)學(xué)應(yīng)用以及工業(yè)控制[3]。

2 ?系統(tǒng)總體方案

2.1 ?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

在建筑物中大量布置無線傳感器節(jié)點來采集應(yīng)力傳感器、傾角傳感器、以及位移傳感器的數(shù)據(jù)，并通過路由器節(jié)點來完成數(shù)據(jù)的接力傳輸，最后將各個節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)匯聚到協(xié)調(diào)器上并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)?；赯igBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架如圖1所示。

2.2 ?設(shè)備節(jié)點硬件框架

設(shè)備節(jié)點硬件設(shè)計主要分為兩個部分，無線傳感器節(jié)點硬件設(shè)計以及協(xié)調(diào)器節(jié)點與路由器節(jié)點硬件設(shè)計。無線傳感器節(jié)點與各個傳感器相連接，因為傳感器耗電量非常大，所以無線傳感器節(jié)點選擇電源適配器供電。而協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由器節(jié)點需任意布置且不需要連接傳感器，所以其通過鋰充電電池供電。

2.2.1 ?無線傳感器節(jié)點

無線傳感器節(jié)點并不是傳感器本身，而是可以將傳感器（應(yīng)力傳感器、位移傳感器、傾角傳感器等）連接在其上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和無線傳輸?shù)墓?jié)點[4]。無線傳感器節(jié)點設(shè)計框圖如圖2所示，其包括微處理器模塊（內(nèi)部包括射頻相關(guān)模塊）、電源模塊、傳感器模塊。

2.2.2 ?協(xié)調(diào)器與路由器節(jié)點

協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由器節(jié)點只負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立和路由選擇，不連接傳感器。其設(shè)計框圖如圖3所示，包括微處理器模塊（內(nèi)部包括射頻相關(guān)模塊）、電源電路、電源欠壓報警模塊以及程序下載接口。

2.3 ?設(shè)備節(jié)點硬件設(shè)計

設(shè)備節(jié)點的硬件設(shè)計采用的是Ti公司的CC2530F256微處理器來實現(xiàn)嵌入式ZigBee的片上應(yīng)用。它支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議，是世界上首個單芯片ZigBee解決方案[2]。

2.3.1 ?主電路模塊設(shè)計

微控制器CC2530F256及其外圍電路、巴倫電路以及天線接口，組成了節(jié)點的主電路模塊部分。圖4是節(jié)點的核心模塊電路連接圖。

圖4中微控制器CC2530F256的工作電壓為3.3 V，無線傳感器節(jié)點是由電源適配器來供電的，而協(xié)調(diào)器和路由器是由電池來供電的。端口P0.0，P0.1和P0.6連接指示燈電路，用來指示節(jié)點的不同工作狀態(tài)。P2.1（DD）和P2.2（DC）連接JTAG編程口，用于程序在線調(diào)試。在無線傳感器節(jié)點中，微處理器的P1.6（TX）和P1.7（TX）口連接到傾角傳感器，P0.3（TX）和P0.2（RX）口連接到應(yīng)力傳感器，P0.7口連接到拉線位移傳感器。RF_P與RF_N引腳連接的射頻天線模塊包括：巴倫電路、2.4 GHz外置天線及天線接口。其中2.4 GHz外置天線是長10 cm的單天線，優(yōu)點是抗干擾能力強(qiáng)。天線接口使用標(biāo)準(zhǔn)的SMA接口。

2.3.2 ?傳感器模塊

用于房屋安全監(jiān)測的傳感器主要有三種，分別是傾角、位移以及應(yīng)力傳感器[5]。通過布置傾角傳感器，可以隨時并且直觀地發(fā)現(xiàn)房屋存在的各種安全隱患，例如墻面整體是否正在慢慢發(fā)生傾斜[6]。測位移是由于損傷、額外的負(fù)載以及一些自然因素的影響，墻面以及一些重要構(gòu)件之間很容易產(chǎn)生相對位移[7]。如地表的輕微震動恢復(fù)平靜之后，一些構(gòu)件沒有回到原來的位置。監(jiān)測應(yīng)力是因為一些局部位移量還不能完全地監(jiān)測整個房屋的安全，因為房屋結(jié)構(gòu)的破壞不一定在位移最大處，而是在應(yīng)力或應(yīng)變的最大處[8]。所以選用SCA126V?10?232型號的傾角傳感器，測量范圍是-10°～10°，RS 232信號輸出;MSP?S?V型號的拉線式位移傳感器，測量范圍是0～1 000 mm，對應(yīng)0～5 V直流信號;YT?ZX?0100型號振弦應(yīng)力傳感器，測量范圍是±1 500 με，RS 485信號輸出。后面以傾角傳感器為例進(jìn)行數(shù)據(jù)測試。

2.3.3 ?電源模塊

無線傳感器節(jié)點上除主電路模塊外還連有傳感器模塊。圖5是其電源設(shè)計原理圖，在整個電源設(shè)計中，根據(jù)傳感器模塊，應(yīng)力傳感器需要24 V和12 V。傾角傳感器可以是9～36 V，所以選擇12 V供電。拉線位移傳感器可以是10～24 V，為方便設(shè)計，也選用12 V供電。微處理器CC2530是3.3 V供電。MAX485芯片和MAX232芯片供電是5 V。所以整個節(jié)點的電源設(shè)計由24 V接入，經(jīng)電源芯片LM2576S?12降到12 V，再經(jīng)過電源芯片LM2576S?5降到5 V，最后經(jīng)電源芯片AMS1117?3.3降到3.3 V。而路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點采用3.7 V/2 000 mA·h鋰充電電池供電。圖6是其充電電路和電源穩(wěn)壓電路。充電管理芯片TP4057和穩(wěn)壓芯片XC6206能夠提供穩(wěn)定的3.3 V電壓。XC6206是一款高精度、低功耗、高電壓、正電壓調(diào)整芯片[9]。其失穩(wěn)電壓只有160 mV，所以非常適用于將3.7～4.2 V的電池電壓轉(zhuǎn)成3.3 V的電壓。

3 ?系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

在具體調(diào)試Z?Stack協(xié)議棧時，首先需要根據(jù)具體硬件設(shè)計完成基礎(chǔ)的設(shè)置（如按鍵和燈光I/O口配置），其修改文件是在hal_board_cfg.h。然后在應(yīng)用層完成各個任務(wù)函數(shù)的調(diào)用和修改，如節(jié)點狀態(tài)改變函數(shù)App_ProcessZDOStateChange（），在建立網(wǎng)絡(luò)（協(xié)調(diào)器）或加入網(wǎng)絡(luò)（設(shè)備節(jié)點）成功后，進(jìn)行事件處理，包括采集傳感器數(shù)據(jù)和無線收發(fā)數(shù)據(jù)[10]。

首先進(jìn)行初始化協(xié)議棧并建立網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立成功后，等待接收串口命令和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。圖7是協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計流程圖。對于無線傳感器節(jié)點，初始化之后加入網(wǎng)絡(luò)，接收網(wǎng)絡(luò)中屬于自己的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)命令進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集。圖8是無線傳感器節(jié)點軟件設(shè)計流程圖。

4 ?系統(tǒng)性能測試及分析

4.1 ?節(jié)點間通信距離測試

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間距離測試主要分為三個部分：一是空曠條件下，單點對單點的距離測試;二是在有墻面的建筑物內(nèi)，單點對單點的距離測試;

三是在建筑物內(nèi)兩點之間添加路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)跳傳后，兩點之間的傳輸距離。測試實驗通過采集傾角傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。表1是不同環(huán)境下測得的最大傳輸距離。其測得的通信距離是一個范圍，這是因為在這樣一個范圍，所傳回的傳感器數(shù)據(jù)的精度是一個可接受的范圍，這部分將在精度測試部分說明。

經(jīng)過測試，在空曠的環(huán)境下，兩節(jié)點之間的傳輸距離最遠(yuǎn)是70～82 m，當(dāng)建筑物內(nèi)有一面墻阻隔時，傳輸距離會下降，大概在30～43 m之間;如果兩點之間的障礙物很密集，信號會銳減，無法建網(wǎng)，傳輸距離幾乎為0。而在兩節(jié)點之間添加路由器，可以有效增加傳輸距離，尤其是在障礙物密集時，實驗測試發(fā)現(xiàn)，在通過有兩面墻阻礙的兩節(jié)點之間添加路由器，可以解決信號快速衰減問題，使得傳輸距離增加到38～49 m。

4.2 ?傳輸精度測試

無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木葴y試，采用的是將傾角傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線和有線的方式讀回，然后進(jìn)行對比。其中有線的數(shù)據(jù)傳輸是通過串口線將傾角傳感器與電腦連接，即在無線傳感器節(jié)點采集傾角傳感器數(shù)據(jù)的同時，也會通過有線的方式發(fā)送到電腦上。表2是在有效的通信距離內(nèi)不同環(huán)境下測得的傾角傳感器連續(xù)20次數(shù)據(jù)的平均值（去除極值）和通過與有線對比得出的無線傳輸精度和丟失數(shù)據(jù)包次數(shù)。測試發(fā)現(xiàn)，同一環(huán)境下，在有效的通信距離內(nèi)，無線數(shù)據(jù)的傳輸精度也會因為距離的增加而略有下降。在空曠條件下，傳輸精度在有效距離內(nèi)與有線傳輸一致，精度為100%。當(dāng)在建筑物內(nèi)，沒有路由器的條件下，傳輸精度會有所下降，達(dá)到93.2%（30～39 m）和91.5%（39～43 m）。而在添加路由器之后，傳輸精度和傳輸距離都有明顯提高，能夠達(dá)到99.3%（46～51 m）和98.5%（51～55 m）。尤其是對于障礙物較密（兩面墻）情況下，添加路由器之后，可以從幾乎不能傳輸達(dá)到大幅度提高傳輸距離和精度，能到達(dá)98.1%（38～45 m）和97.2%（45～49 m）?？梢钥闯?，通過路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)跳傳，可以解決信號在建筑物內(nèi)的衰減問題。

4.3 ?系統(tǒng)整體測試

根據(jù)節(jié)點間的距離和精度測試，系統(tǒng)的整體應(yīng)用測試采用一種倒“T”型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖9所示，在一幢四層樓進(jìn)行整個網(wǎng)絡(luò)的布置。通過在每層走廊的水平方向和大樓的一側(cè)外墻面垂直方向布置路由器中繼節(jié)點，選擇這種倒“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是因為根據(jù)前面的測試發(fā)現(xiàn)墻面對信號傳輸干擾很大（尤其是兩面墻），所以通過這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，盡量避免在數(shù)據(jù)傳輸時數(shù)據(jù)被干擾。然后添加無線傳感器節(jié)點，加入這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集與傳輸，進(jìn)行測試。

表3是以傾角傳感器為例的4個無線傳感器節(jié)點通過這種倒“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)傳輸?shù)膬A角傳感器數(shù)據(jù)（去除極值后20次的平均值）。

測試結(jié)果表明，通過在建筑物中進(jìn)行這種倒“T”型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的布置，可以比較精確地?zé)o線傳輸關(guān)鍵測試點的傳感器數(shù)據(jù)。所以，系統(tǒng)的整體設(shè)計方案是可行的。

5 ?結(jié) ?論

本文設(shè)計一種基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案，并通過采集傾角、應(yīng)力和位移傳感器的數(shù)據(jù)，將這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用到特定的房屋安全監(jiān)測上。對節(jié)點的通信距離和精度進(jìn)行測試，并在實際的建筑物中通過倒“T”型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)的整體進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)精度高，傳輸距離遠(yuǎn)。在建筑物內(nèi)，通過節(jié)點間添加路由器，可以有效提高傳輸精度和傳輸距離。所以，設(shè)計的這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方案可以被實際應(yīng)用到房屋監(jiān)測上。

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