基于WSN技术的数据采集系统的设计

张大为，皮之军，刘 迪

（1.海军航空工程学院 控制工程系，山东 烟台 264001；2.海军航空工程学院 训练部，山东 烟台 264001）

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的迅猛发展，具有感知能力、计算能力和通信能力的无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）的应用领域也日益广泛[1-2]。本文以FS2410DEV V6.0为硬件平台，以智能交通管理系统为应用实例，基于WSN和ZigBee技术设计了一种现场数据采集系统。它能实现数据采集、存储，无线数据传输，数据分析、处理以及WEB浏览等功能。具有功耗低、组网能力强、传输距离远、可靠性高、拓展能力强等优点[3]。

1 系统组成

本文采用的WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成无线网络，采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，发布给集中控制中心。数据采集系统组成框图如图1所示。WSN节点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成。数据采集系统利用各节点的加速传感器实现对应节点的数据采集，数据经调理后通过节点微处理器的AD转换单元，节点微处理器将数据从从XBEE-PRO芯片无线传输到主XBEE-PRO芯片，主XBEEPRO芯片通过串口进入S3C2410处理器，S3C2410处理器作为网关进行数据处理以后，通过以太网口接入PC机服务器，PC机服务器采用MFC搭建人机交互界面，实现各参数的分析、处理，并通过因特网实时公布交通情况。

图1 数据采集系统组成框图Fig.1 Diagram of data acquisition system composition

1.1 加速传感器

利用加速传感器检测车辆和路况。传感器模块通过检测过往车辆加速度的变化来检测车辆，本文加速传感器选用ADXL202两轴向传感器。首先对节点编写程序以得到检测区域的加速度采样，继而使用上位机软件对样本数据进行处理。当观测车辆经过时，可在短时间内形成算法的原型，计数算法使用偏离基线的加速度值来操纵状态机，由状态机做出计数操作。驱动状态机从半激活状态到计数状态，信号必须偏离负相基线的临界值。如果状态机在半激活状态且小于临界值超过500 μs时，状态机重置到未激活状态。检测算法中的磁滞可用于检测一辆接一辆快速流动的交通情况，能够降低基线的漂移和噪声对临界值的影响。由于邻近车道上的大型车辆不能引起在两个方向上的离散的加速度偏离，所以也能排除邻近车道上的车辆干扰。

由于传感器直接安装到路面上，它还能检测路况信息，比如检测路面是否有冰雪、积水等覆盖。具体实现上，是通过使用电容性传感器来感应传感器表面材料的绝缘性或导电性。此方法主要用于流体的检测，能够以低成本低能量得到冰雪、积水等信息的稳定监测。基于微控制器系统以10位A/D转换器进行同步采样就能实现低成本的电容性感应。其中一端附于微控制器的输出针脚，连接到传感器节点表面的电极上；另一端附于邻近的电极，通过一个简单的FET放大器连接到A/D转换器输入针脚上。微控制器不断地以1 V步长通过电极，等待几微秒，采样输入A/D。微控制器使用同步解调来检测电容变化。另一种方法是测量温度变化来检测路况，如温度大于冰点，路面就不可能有冰；同样，如果温度小于等于冰点，则路面有可能结冰，此外，路面上的温度与空气温度的变化比率是由节点表面材料的热容决定的。

1.2 信号调理电路

利用信号调理电路对传感器信号进行处理。信号调理电路对ADXL202两轴向传感器的电压信号进行滤波、限幅，实现传感器信号的预处理。

1.3 微处理器

经过预处理后的传感器信号进入微处理器的A/D转换单元，本文采用的微处理器为C8051F018单片机，其内部集成10位A/D转换器，外部时钟为24 MHz，其执行速度足以满足系统要求。C8051F018单片机结构如图2所示。

图2 C8051F018单片机结构Fig.2 C8051F018 single chip microcomputer structure

1.4 XBEE-PRO芯片

微处理器通过XBEE-PRO芯片进行无线数据传输。数据采集系统的网络协调器由网关节点上的XBEE-PRO充当，网络协调器负责收集数据，然后经其串口传送给FS2410DEV V6.0的S3C2410，S3C2410将数据分析、处理后通过TCP/IP协议传送给PC机服务器，从而实现ZigBee协议与TCP/IP协议之间的数据互传。

2 系统软件设计

2.1 系统软件设计流程

系统软件设计主要包括单片机底层软件、MFC上位机软件和监控中心平台程序的设计。设计内容涉及无线通信、ZigBee协议实现、TCP/IP以太网通信、单片机底层软件等方面[4]，系统软件设计流程图如图2所示。初始化系统主要包括初始化WPAN信息数据库，建立ZigBee网络，分配网络ID号和16位网络地址，初始化邻居设备表，等待车载ZigBee无线节点连接。当车辆进入主节点网络覆盖区时，接收主节点的网络信号，发送扫描信号请求连接，连接成功后，记录网络ID号和分配的16位网络地址，向主节点发送车辆信息，完成车辆登记。监控中心平台为本系统的集中管理平台，负责系统中所有数据的处理、记录、调度，通过以太网与各出入口主节点进行数据交互，通过通用组件自动生成记录表单以供查阅及打印，同时查询数据库车辆状态。若一切正常，则回复确认信息给主节点；若出现异常状态则回复控制命令给主节点，主节点收到命令后执行相应操作，同时在用户界面上显示异常状态以通知监控中心工作人员。

2.2 基于以太网进行数据传输

以太网采用TCP协议传输数据，实现了无差错无重复的顺序数据传输。在应用程序利用TCP进行通信时，源和目标之间会建立一个虚拟连接。这个连接一旦建立，两通信设备之间就可把数据当作一个双向字节流进行交换。本文设计的数据采集系统的网关是TCP客户端，具体实现上，首先调用socket函数建立流式套接字，然后调用connect函数，请求与服务器端建立TCP连接，成功建立连接后，就可同服务器端进行通讯。基于以太网的数据传输应用程序采用多线程方式编写实现，其数据传输应用程序流程图如图3所示。一个线程用于接收ZigBee网络协调器CC2430从串口发来的数据，另一个线程用于编写基于TCP/IP协议的网络套接字程序与服务器进行通信。

图3 系统软件设计流程图Fig.3 Flow chart of system software design

设计中还需考虑降低成本和每个WSN节点的复杂性。由于节点没有接收指令的内在需求，所以每个节点都有发送器，没有接收器。然而，由于标准无线信道技术需要发送和接收的参与，缺少接收器将使无线协议复杂化。WSN的传输协议非常简单:每个节点在60 s内随机选择时隙来发送。如果在随机选择的时间上检测到车辆，它将等待车辆通过后再发送数据。

3 系统测试

ZigBee网络的2个小节点采用电池供电，基于测试方便的考虑将节点设置成全功能的路由器节点，每节点只接一个加速度传感器。设计的网关节点安放在待测试区域，网关节点上的CC2430设置成协调器，并采用12 V、2 A的电源适配器供电。网关节点和2个小节点就构成一个树型无线传感器网络。将1台具有静态IP地址的PC机用作远程服务器进行测试。测试内容包括测试网关节点动态配置ZigBee网络；基于以太网通信的数据实时转发；基于SMS方式数据传输及系统运行的稳定性。首先在网关节点运行网络配置应用程序，而后启动ZigBee网络。具体操作上，输入配置命令SP（发送周期）、节点ID号1、节点发送周期参数值为3 min，然后点配置按钮，若配置成功弹出“ZigBee Config Success！”对话框，否则，弹出“fails”对话框。在服务器上运行TCP/UDP测试工具，然后运行网关节点上的数据传输应用程序，在操作界面输入PC机服务器的IP地址、端口号，再启动ZigBee网络，在设定的采集周期内网关节点串口1将收到各节点采集到的数据，经过分析处理后在网关节点上显示并以以太网方式传送给PC机服务器[5]。

测试结果表明：网关节点能够成功配置ZigBee网络，设计的基于ZigBee技术的射频单元电路正确、可靠，网关节点上的CC2430能够成功担当ZigBee网络的协调器，并能成功修改ZigBee网络参数；网关节点能够成功地将协调器收集到的数据以以太网的方式转发给PC服务器，以太网通信接口设计正确，采用线程编程、基于网络套接字的编程策略合理、正确；通过测试表明本文设计的网关节点功能符合设计要求，系统运行稳定。

图4 数据传输应用程序流程图Fig.4 Flow chart of data transmission application program

4 结 论

文中以WSN为技术支撑，以智能交通管理系统为应用实例，基于ZigBee协议设计了一种智能数据采集系统。测试表明该数据采集系统在数据传输方面具有以下优越性：功耗低，2节普通5号电池可支持一个节点工作6～24个月；组网能力强，网络最多可达多个节点，并支持树状、星状、网状等多种组网方式；传输距离远，两节点室外传输距离可达几百米，在增加发射功率后可达几千米；可靠性高，具备多级安全模式；成本低，开放的简化ZigBee协议栈工作在2.4 GHz免费的ISM频段。另外，该数据采集系统通用性和可移植性较好，只要稍加改造就能应用于无人值守、遥控遥测、车辆安全等远程控制系统中[6]，拓展能力强，应用前景十分广阔。

[1]马骏领，金泰干，李桢贤.基于无线传感器网络的仓库智能安保系统设计[J].电子设计工程，2009，17（7）:9－11.MA Jun-ling，JIN Tai-gan，LI Zhen-xian.Design of warehouse intelligent safeguard system based on WSN[J].Electrical design engineering，2009，17（7）:9－11.

[2]倪娴，陈永锐，易卫东.用于智能交通传感网的高吞吐量仿真研究[J].计算机仿真，2011，28（5）:349－353.NI Xian，CHEN Yong-rui，YI Wei-dong.High throughput simulation research for intelligent transportation sensor network[J].Computer simulation，2011，28（5）:349－353.

[3]袁凌云，朱云龙，瞿立成.分布式无线交通监控系统的研究与实现[J].计算机工程，2006，32（8）:249－251.YUAN Ling-yun，ZHU Yun-long，QU Li-cheng.Research and implementation of transportation monitoring system based on distributed wireless sensor network[J].Computer engineering，2006，32（8）:249－251.

[4]孙利民，李建中，陈渝.无线传感器网络[M].北京:清华大学大学出版社，2005.

[5]何东健，邹志勇，周曼.果园环境参数远程检测WSN网关节点设计[J].农业机械学报，2010，41（6）:182－185.HE Dong-jian，ZOU Zhi-yong，ZHOU Man.Design of WSN gateway nodes for remote detection of orchards environment parameters[J].Transactions of the Chinese society for agricultural machinery， 2010， 41（6）:182－185.

[6]张任，王坚锋，严海.基于ZigBee的无线传感器网络节点设计[J].机电工程，2008，25（8）:18－20.ZHANG Ren，WANG Jian-feng，YAN Hai.Design of wireless sensor networks nodes based on ZigBee[J].Mechanical＆electrical engineering magazine，2008，25（8）:18－20.