基于WSN数据融合的室内环境监控系统设计

周彬彬，俞建定，袁 飞，陈 翔

(宁波大学 信息科学与工程学院，浙江 宁波 315211)

0 引言

近年来，我国的城市化与工业化水平在逐步提高，国民经济不断增长的同时环境污染与安全问题日益严重，室外汽车尾气和灰尘等空气污染、室内可燃气体的泄漏以及化学物品挥发的有害气体等问题已经越来越被重视[1]，因此人们需要一个合适的室内环境监控系统对室内环境参数进行监测。然而现有的监控系统因为功能单一、自动化程度低、价格昂贵等缺陷，不能满足人们对环境监控系统的需求。随着无线传感器网络和嵌入式技术的迅猛发展，室内环境监控系统朝着智能化、实时化和集成化方向发展[2]。本文结合无线传感器网络技术、嵌入式技术以及数据融合技术，设计了一套智能化且可远程监控的室内环境监控系统[3]，利用ZigBee网络来实现对环境数据多点、多参数的数据采集和传输，并对采集的数据进行融合处理，远程监控设备通过访问嵌入式网关上的服务器实现对环境参数的实时查询与控制。

1 系统总体框架设计

图1为室内环境监控系统总体结构图，系统由网关模块、无线传感网络模块和远程监控设备三部分组成。网关采用Linux系统来构建，并在系统中移植嵌入式Web服务器与数据库，无线传感网络系统采用ZigBee技术组建室内局域网[4]，终端节点对室内环境参数进行采集并传输到区域路由器上，在区域路由器上对数据进行第一次融合处理并通过协调器将数据发送到嵌入式网关上，在网关上对数据解析并进行第二次数据融合，判断室内环境的整体舒适程度，最后将各区域的环境数据和融合后的数据存入网关本地数据库当中。远程监控设备采用Android手机，通过访问网关上的Web服务器，查询数据库中室内环境参数的信息，也可以通过室内无线网向网关发送控制命令，并经网关解析后转发到无线传感网络中的控制节点上，终端控制节点在收到路由转发的命令后，解析命令并打开相应的控制开关来调节室内环境[5]。

图1 系统结构

2系统硬件设计与实现

2.1 系统硬件结构组成

如图2所示，系统主要由嵌入式网关、无线传感网络模块和远程监控设备组成，其中嵌入式网关主要由嵌入式处理器、网卡、报警电路、电源管理模块等部分构成。

图2 系统硬件结构

嵌入式网关控制器核心采用基于ARM920T内核的S3C2440A微处理器，ARM系列处理器技术成熟且有丰富的外设接口等资源[6]，外接2 M的NOR FLASH(MX29LV160DBTI-70G)、256 M的NAND FLASH(K9F2G08U0C)以及64 M的SDRAM(EM63A165TS)，可以支持Linux、PalmOS和WinCE等操作系统的启动和运行。

无线传感器网络中的协调器通过串口与网关进行通信，节点控制器芯片选择TI公司提供的CC2530。CC2530支持ZigBee协议栈并集成性能优良的RF收发器[7]，能在成本较低的情况下建立强大的网络节点。

以太网模块采用DM9000A芯片，实现网关与PC机客户端的通信，远程监控设备使用Android系统的智能终端，通过局域网访问网关服务器获取室内环境数据或发送控制命令。

2.2 无线传感器网络模块硬件结构设计

无线传感器网络节点由传感器模块、控制器模块、通信模块以及电源管理模块组成，实现环境信息的采集、数据处理、无线信号监测和数据传输等任务。应用各类传感器模块实现对室内温湿度、可燃气体及烟雾浓度等环境参数的采集，并将环境数据传送给控制器模块。控制器模块实现对整个节点的控制及数据处理，负责建立、管理或加入网络以及实现网络之间安全可靠的通信[8]。通信模块主要负责环境数据及控制命令传输等网络之间的通信，电源管理模块负责给传感器网络节点提供电源。其结构如图3所示。

图3 无线传感器网络节点硬件结构图

采用DHT22数字温湿度传感器实现室内温湿度信息的采集，DHT22模块采用电容式感湿元件和NTC系数感温元件组成，是一个集检测温湿度于一体且有数字信号校准输出功能的复合传感器；DHT22相比于DHT11拥有更高的精度和更大的量程[9]。DHT22采用单总线数据传输格式，最大传输距离可达到20 m，每次传输的数据为40位，一次通信时间为5 ms左右。

采用MQ-2传感器对室内烟雾浓度进行测量，MQ-2是由对可燃气体非常敏感的半导体材料二氧化锡(SnO2)制成，当MQ-2监测到所在区域存在对MQ-2敏感的气体时，其电导率将会随着敏感气体浓度增多而变大，通过测量电路中电导率的大小就可以转化为和可燃气体浓度所对应的数据输出，从而可以检测烟雾或可燃气体的泄漏等。

采用MQ-5传感器对室内可燃气体浓度进行测量，其工作原理类似于MQ-2。

3 系统软件设计与实现

本系统软件设计由Zigbee网络模块、网关模块以及远程监控设备三部分软件设计组成。Zigbee网络模块软件设计主要有网络的建立与维护、数据传输、数据的采集和处理等。网关模块主要完成Linux操作系统、嵌入式数据库以及web服务器的移植，并完成数据的处理、存储以及通信等应用程序的软件设计。远程监控设备是基于Android系统开发，主要是数据的实时查询、室内空气质量调控与报警等功能设计。

3.1 嵌入式网关程序流程设计

嵌入式网关软件程序首先完成Linux操作系统、嵌入式web服务器以及嵌入式数据库的移植，在此基础上完成接收到的数据处理、存储以及与其他模块通信的应用程序设计。网关应用程序流程如图4所示。ZigBee协调器通过串口将环境数据传输到网关上，网关侦听到串口有数据的到来时，进入中断模式并对数据进行解析后存入嵌入式数据库，等待所有区域路由节点将环境数据传输到网关，当接收到所有区域路由的数据后，对所有数据采用DS证据理论算法进行融合处理，判断室内环境质量及安全状况。

图4 网关应用程序流程

3.2 无线传感器网络节点软件程序的设计

无线传感器网络采用ZigBee技术来实现网络的组建和维护，ZigBee是在IEEE802.15.4协议基础上定义的一种局域网协议，其数据传输速率低但可靠性高、自组网灵活、功耗和成本低，ZigBee是适合使用在通信距离和控制范围较小的一种无线通信技术，在自动控制领域得到了很好的应用。

ZigBee具有星型、树型和网状型三种拓扑结构[10]。本系统采用的是一种基于轮询式的树型网络拓扑结构，网络节点分为协调器、路由器和终端节点，协调器收到请求命令后会唤醒相关联的子节点，终端节点唤醒后将连续采集8次环境数据，并计算出各环境因子数据的平均值与方差，将数据发送到路由器上并对数据进行融合处理，最后将数据通过协调器传输至网关服务器上。这样可降低网络传输负载和功耗，也提高了系统的稳定性。环境数据采集流程如图5所示。

图5 环境数据采集流程

3.3 数据融合算法

本系统中，对传感器数据的处理是重要的一部分。终端节点接收到被唤醒的命令后，传感器会连续采集8次环境数据，计算环境信息的平均值和方差，然后将环境数据打包发送到区域路由器上，在路由器上采用自适应加权算法对数据进行数据级融合处理，最后将数据经过协调器发送到嵌入式网关上，在网关上采用DS证据理论算法进行决策级数据融合处理，判断室内环境舒适度及安全状况，并根据融合的结果对室内环境启动相应的调控措施，保证室内一直处在舒适、健康和稳定的环境下[11]。

(1)

(2)

总均方误差为：

(3)

由式(3)可以看出，总均方误差σ2的值越小，融合后的数据就越和真实值相近，所以要求真实值就只需求监测点总均方误差的最小值，而总均方误差与每个监测点的加权因子有关，即加权因子Wi与σ2取得极值有关[13]，因此当σ2取得最小值时，各监测点的加权因子为：

(4)

依据式(3)和式(4)调整各终端节点的加权因子Wi，最后获得各环境因子最佳的融合均值。

图6 数据融合算法结构示意图

依据DS证据理论算法对室内采集到的温湿度、可燃气体浓度、烟雾浓度等环境因子确定识别框架U，假设其识别框架U={u1,u2,u3},其中u1表示室内舒适且安全，u2表示室内不舒适但安全，u3表示室内不舒适且不安全。网关接收到环境数据后，对数据进行归一化处理，得到目标的基本概率赋值函数，构造u1、u2和u3的隶属度函数，计算实测值的基本可信度，最后采用DS证据理论算法得到室内是否安全以及舒适程度的决策[14]。其中隶属度函数如式(5)所示：

(5)

4 系统控制设计与测试结果

远程监控设备采用以Android系统为平台的手持设备或手机，通过局域网访问网关服务器，获取嵌入式数据库中存储的环境数据，也可以向网关服务器发送查询或控制指令，网关解析指令后通过串口传输到协调器上，终端节点接收到指令后会执行相应的操作，实现室内环境的远程查询及控制。

4.1 嵌入式服务器的建立

嵌入式网关服务器采用HTTP协议实现与远程监控客户端的数据交互，同时也为网关应用程序提供数据交互接口。此外，服务器还判断客户端是否具有访问权限以及客户端发送的命令是否有效。本系统选用在嵌入式系统应用广泛的Boa web服务器，Boa是一个小巧、开源且高性能的单任务Web服务器，能够支持认证和CGI技术，同时服务器的执行代码大约只有60 M，占用内存空间小，速度快且稳定性好，因此特别适用于嵌入式系统[15]。根据嵌入式硬件特点及开发环境对Boa源码的相关文件进行修改，使它适合嵌入式系统的交叉编译环境，然后对Boa源码进行编译，生成Boa的可执行文件，修改Boa配置文件boa.conf中的的端口号、服务器名称、HTML文档目录、CGI的PATH环境变量以及CGI脚本路径等参数，配置好Boa服务器。系统上电后，服务器自动启动后等待客户端的连接请求并进行数据交互。

CGI称为公共网关接口，是Web服务器与应用程序之间的标准接口，为两者之间传递信息的规范[16]。系统中远程监控客户端通过对HTML文件中的表单向服务器发送请求，服务器接收到表单里的数据后响应客户端请求并解析命令数据包，然后将数据发送到CGI程序中去。CGI程序处理数据并通过网关向ZigBee终端节点发出控制命令。终端节点接收到命令并响应后，会将响应结果返回给网关，网关再将信息发送到CGI程序中，CGI程序解析信息并传输到远程监控设备上，最后在远程监控客户端得到室内环境质量的显示以及环境调控设备的运行状态，从而实现对室内环境质量和安全的远程监控。Boa服务器主要功能如图7所示。

图7 boa服务器控制流程图

4.2 远程监控客户端设计与结果测试

远程监控设备采用装有Android系统的智能手机或平板电脑，在Android系统平台上远程监控系统客户端软件采用MVC的设计模式，给用户提供了简洁、美观和方便的界面图形[17]。客户端软件采用socket通信方式与网关服务器进行通信，通过发送查询指令来获取数据库里的数据或监听服务器主动发送的数据来更新客户端软件图形界面的参数。客户端软件也可以通过socket向服务器发送控制命令从而实现控制室内设备的打开与关闭。

远程监控客户端软件考虑到安全性和隐私性，登录或注册功能设计流程如图8所示，登陆后主界面如图9所示。

图8 登录或注册功能设计流程

图9 环境参数显示界面

5 结束语

本文分别从硬件和软件两个方面介绍了基于WSN数据融合的室内环境监控系统，采用ZigBee技术结合各类传感器实现室内无线局域网的组建以及环境数据的采集和传输，使系统具有功耗低、节点可任意放置和拓展、稳定性高等特点，采用数据融合算法对采集到的数据进行融合处理，可提高数据采集的精确性，降低网络的传输负载，同时提高对室内环境和安全状况判断的准确性。用户通过远程监控终端实现远程查询和控制室内环境质量及安全状况。系统中各模块软件功能互不干扰、独立运行，使系统具有更高的稳定性。与一般的室内有线环境监控系统相比，该系统可根据需要适当增删监测节点，组织更加灵活，应用更加广泛，为工业监控、温室监控以及养殖场监控等系统提供了科学可行的解决方案。

[1] 胡冰.我国开展室内环境监测的重要性和必要性[J].玉溪师范学院学报,2003(4):38-42.

[2] 王冬青.无线传感器网络在环境监测系统中的研究与应用[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[3] 龚尧飞,金静.嵌入式Linux系统下的视频服务器的设计[J].电子测量技术,2010,33(4):72-74，97.

[4] 曹超.基于ARM和Zigbee的无线环境监测系统[D].西安:西安工业大学,2012.

[5] 杨瑞峰,王雄,郭晨霞,等.基于ZigBee无线传感网络环境监测系统设计与应用[J].电子器件,2017,40(3):760-765.

[6] 易鹏.基于ARM和Zigbee技术的室内环境无线监测系统设计与实现[D].南昌:东华理工大学,2014.

[7] 时文武,杨军.无线传感器网络在温室环境监测中的应用研究[J].计算机与现代化,2012(3):125-127.

[8] 殷松迁,郭培源,王建华.基于嵌入式及ZigBee技术的居室环境监测系统[J].电子技术应用,2012,38(8):23-25,29.

[9] 成坚,王宏新,易哲菁,等.无线传感器网络在军械仓库环境监测中的应用研究[J].科技创新导报,2011(21):98.

[10] 陈璇,李杨.基于ZigBee无线传感网络的车辆定位系统[J].自动化应用,2014(3):79-80.

[11] 姜延吉.多传感器数据融合关键技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010.

[12] 张晓亮,罗文广.多传感器数据融合技术在室内环境品质监控系统中的应用[J].仪表技术与传感器,2012(2):103-105.

[13] 李文琛.基于多传感器数据融合的无线环境监测系统[D].南京:南京理工大学,2014.

[14] 刁志刚,阴家龙,朱小宁.多传感器数据融合的养殖环境监控系统模型设计[J].电子技术与软件工程,2015(1):81-82.

[15] 程磊,李秋红,袁腾,等.基于ZigBee与ARM的室内环境监测系统的设计[J].电源技术,2013,37(9):1655-1657,1675.

[16] 涂瑞.基于ARM的远程室内环境监测系统[D].长沙：湖南大学,2014.

[17] 孙培远.智能家居室内环境监测系统的研究与开发[D].长春:吉林建筑大学,2017.