基于6LoWPAN的校园仪器设备监控系统

朱海颖，冯兴杰，赵俊松，高江涛

（中国民航大学信息网络中心，天津 300300）

目前，各高校所使用的仪器设备较多，其中大多数仪器设备分散在二级学院/部门，缺乏统一的自动化管理，很难及时、科学地掌控设备运行环境的安全情况和设备的使用情况，设备综合利用率低。因此，对校园仪器设备进行科学、规范的监控和管理，成为高校仪器设备管理的内在需求[1-3]。

无线传感器网络（WSN，wireless sensor network）[4]由部署在监控区域内的大量低成本、低功耗的微型传感器节点组成，节点之间能够通过无线通信技术形成一个多跳的自组织网络系统，其具有结构紧凑、部署迅捷、自组织、易维护、测量精度高、成本较低等优势。在众多领域得到了广泛应用，如工业设备运行状态监测[5]、智能家居监测[6]、建筑电气设备能耗监测[7]、农作物生长监测[8]等。而目前无线传感器自组网最常用的两个协议是ZigBee和6LoWPAN（IPv6 over low power wireless personal area network）。

6LoWPAN是由IETF 6LoWPAN工作组定义的新型WSN，基于IEEE 802.15.4标准，使用16位段地址实现IPv6通信，旨在为嵌入式设备（如无线传感器节点）提供IPv6连接[9-10]。6LoWPAN适应性强、易开发、拥有海量IPv6地址、易接入IPv4/IPv6网络、可与其他802.15.4设备互通，用户可通过访问传感器节点配置的IPv6地址来控制传感器节点。此外，6LoWPAN链路的路由选址不需要额外的6LoWPAN头信息，较ZigBee协议增加了更多的负载数据空间，目前该协议已在开源系统Contiki和Tinyos中得到应用[11]。

针对校园仪器设备管理中设备数量众多、地点分散、管理手段落后、利用效率低的现状，设计并实现了基于6LoPWAN技术的校园仪器设备监控系统。该系统通过在大量仪器设备监控区域部署无线传感器节点，实现对校园仪器设备长时间、持续性的监控，并通过6LoWPAN边缘路由器将采集信息传输到远程数据库服务器进行数据信息处理和分析。同时提出在传感器节点采集设备运行的电流数据并动态判别设备运行状态的方法，远程终端用户通过Web浏览器访问服务器端可实时查看设备运行状态、运行环境、设备使用率和使用时间的分布情况，从而实现对设备的远程控制。

1 系统总体架构设计

1.1 系统功能需求

1）实现仪器设备信息的感知、采样及传输 远程终端用户可通过Web浏览器实时获取设备运行环境信息及设备运行状态信息，并可通过历史信息查询、统计、分析设备的情况。

2）确定仪器设备的运行状态、运行时长等信息 通过传感器节点采集的电流信息能判别仪器设备所处的运行状态，以进一步为设备的使用效率、节能、购置等提供辅助决策。

3）大规模应用 随着高等教育事业的发展，校园仪器设备会更多且分散在各二级学院/部门，需大量传感器采集节点且能随新购置设备而随时添加，同时要求每个采集节点的地址唯一，以保证数据的独立性。

1.2 系统总体架构设计

针对上述仪器设备监控系统的功能需求，设计基于6LoPWAN技术的校园仪器设备监控系统[12-15]。其主要由6LoWPAN无线传感器网络、6LoWPAN边缘路由器、传输网络（校园有线网络）、数据库服务器和远程终端用户构成，其总体结构如图1所示。该系统的主要技术及相关功能模块如下。

图1 系统总体结构Fig.1 System structure

1）系统底层数据采集网

采用基于6LoWPAN的无线传感器网络。6LoWPAN协议栈的结构如图2所示。通过增加适配层来实现IPv6协议与IEEE802.15.4的融合，从而能够在无线传感器节点上传输IPv6数据包，使其满足拥有大量节点且随时有设备入网的监测系统需求。

图2 6LoWPAN协议栈Fig.2 6LoWPAN protocol stack

2）6LoWPAN无线传感器网络

由6LoWPAN无线传感器节点、温湿度传感器、光照传感器、电流传感器等组成，共同负责采集仪器设备的相关数据，并将采集到的数据按照要求发送给6LoWPAN边缘路由器。

3）6LoWPAN边缘路由器

用于实现无线传感器网络与传输网络（校园有线网）的连接，实现协议栈的精简及数据包的路由转发。6LoWPAN边缘路由器从有线网络接口接收监控中心数据库服务器发来的数据包，并通过处理器对其进行精简后，将精简的数据包通过无线收发器发送到无线传感器网络。同时，6LoWPAN边缘路由器从无线接收器接收到传感器发送来的精简数据包后，处理器将其还原为完整的数据包，通过有线网络接口将完整的数据包发送到监控中心数据库服务器。

4）数据库服务器端的B/S架构

负责接收边缘路由器发来的传感器采集数据，对数据进行存储、分析，同时负责接收硬件控制指令并向下层传递。远程终端用户通过Web浏览器登录数据库服务器查询实时数据和历史数据，并可对传感器终端进行控制。对采集到的数据进行处理和分析，包括存储采集到的温湿度、电流数据等信息，并对数据进行解析、图形显示、预警，通过仪器设备电流信息判别设备的当前运行状态，提供历史数据统计从而辅助决策。

2 系统设计及关键技术实现

2.1 节点硬件设计

6LoWPAN边缘路由器是6LoWPAN无线传感器网络的核心，对处理能力要求比较高。系统采用TI公司生产的CC2538芯片，该芯片以ARM Cortec-M3为内核，自带512 KB的可扩展FLASH和32 KB的RAM，具有2.4 Hz IEEE 802.15.4 RF射频收发器，内部资源丰富、性能强大，能很好地支持Contiki3.x版本，可完全满足仪器设备监控信息参数的采集、传输和存储需求；同时具有丰富的外部接口，可满足仪器设备监控各类传感器的接入，可扩展性强。以太网模块采用ENC28J60芯片，上联数据库服务器监控中心。边缘路由器的整体硬件结构如图3所示。

图3 6LoWPAN边缘路由器硬件架构图Fig.3 Hardware architecture of 6LoWPAN edge router

为了便于后续功能的扩展及各种需求的满足，系统中的6LoWPAN传感器采集节点也采用CC2538芯片，基本与6LoWPAN边缘路由器相同，仅没有ENC28J60以太网模块，主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块构成，其硬件逻辑结构如图4所示。

2.2 节点软件设计

图4 6LoWPAN传感器采集节点逻辑结构图Fig.4 Logical structure of 6LoWPAN sensor acquisition node

6LoWPAN边缘路由器基于Contiki嵌入式操作系统来实现，该路由器通过RPL路由协议模块构造6LoWPAN网络，并采用IPv6邻居发现协议向所有6LoWPAN节点发送路由通告，令所有6LoWPAN节点获得6LoWPAN网络前缀。当边缘路由器的无线射频模块收到6LoWPAN网络数据包，则对数据包进行还原操作，并按照路由信息，通过ENC28J60以太网口转发给数据库服务器监控端。当边缘路由器通过ENC-28J60以太网收到监控端的控制信息数据包，则对数据包进行精简操作，并按照路由信息，通过无线射频模块转发给下一跳目的节点，实现6LoWPAN传感器网络与校园仪器设备数据库服务器监控端网络的互联。6LoWPAN边缘路由器软件框架设计，如图5所示。

图5 6LoWPAN边缘路由器软件框架图Fig.5 Software architecture of 6LoWPAN edge router

在温湿度信息监测机制中，传感器采集节点CC2538通过外接温湿度传感器，实现温湿度信息的实时采集。当远程用户终端通过Web查询模块发送出温湿度信息查询请求时，传感器采集节点将温湿度信息通过边缘路由传感器的有线网络接口将数据传输至Web信息查询模块。同时终端用户服务器通过预先设定的程序判断实时采集的温湿度信息是否超出预设范围，如果超出预设范围则实时预警。

在设备运行状态监测机制中，电流传感器及AD/DC转换电路检测仪器设备的实时工作电流，并通过6LoWPAN边缘路由器将采集信息上传至数据库服务器，通过与预设程序对比电流所在的运行状态阈值区间，判别仪器设备所处的运行状态。利用实时时钟电路记录仪器在各运行状态下的运行时间，通过AT24C02芯片存储信息，并最终传输至数据库服务器监控端。数据库服务器监控端可科学、准确地显示设备使用的历史统计信息以辅助决策。图6为6LoWPAN边缘路由器节点软件设计流程。

2.3 运行状态判别方法

系统通过监测仪器设备的电流大小和变化情况，将监测到的数据与预设的阈值区间进行对比，来判别设备实时运行状态。然而，仪器设备各运行状态的电流值会随着设备工作年限、模块增减、维修、电源波动、甚至开机时间长短而产生漂移（如需要预热的设备等），各状态之间的电流判别阈值区间如果差别很小，则这种漂移情况会严重影响判别的准确性，从而造成系统的不可用。因此，提出一种利用加权平均滤波法动态调整阈值区间来判别设备运行状态的方法。该判别方法流程如图7所示，其主要步骤如下。

图6 6LoWPAN边缘路由器节点软件设计流程图Fig.6 Software design flowchart of 6LoWPAN edge router

图7 运行状态判别流程图Fig.7 Flowchart of running state judgement

1）运行状态阈值区间的初始值设定

设仪器设备采集电流 I1，I2，…，In，算术平均值=剩余误差 vi=Ii-I（i=1，2，…，n）。电流传感器在各运行状态下监测连续采集M组电流数据，每组数据n个值，按照贝塞尔公式，即

计算 M 组数据的标准误差 σ1，σ2，…，σM，取标准误差最小的数据组的算术平均值I作为设备该运行状态下阈值空间的中心值。

2）获取当前运行状态下的加权平均滤波电流值

设传感器获取设备当前运行状态下的连续n个电流值数据分别为 I1，I2，…，In，剩余误差为 v1，v2，…，vn，其对应的权值分别为 w1，w2，…，wn，则加权平均过滤后的电流值和权值应满足

3）更新设备运行状态的电流阈值区间

设接收到更新阈值区间命令前，阈值区间为（Ia，Ib+ΔI]，Ib为当前阈值区间的中心值，wa、wb为电流 Ia、Ib对应的权值,为当前更新阈值命令后的加权平均过滤电流值，调整后的阈值区间记为

4）设备运行状态的判别

若获取到的实时设备电流值在关机状态阈值区间内，则判定设备处于关机状态；在待机状态阈值区间内，则判定设备处于待机状态；若在工作状态阈值区间内，则判定设备处于工作状态。

3 实验测试

3.1 运行状态判别法的有效性验证

对1台一直处于工作状态的台式机，每隔10 min监测1次实际运行电流值，并设初始工作阈值区间中心值为K，监测结果如图8所示。

图8 工作状态电流值监测图Fig.8 Monitoring chart of current value in working state

从图8可看出，电流值并没有在一个固定值附近变化，而是随着时间及运行程序的类别和数量的不同而不断变化，且随着运行时间的不断增长，电流值趋势向上倾斜，逐渐远离K。因此，如果直接通过与固定阈值对比来判别运行状态的方法不够准确。

对1台式机每隔10 min控制1次工作状态并监测其电流值，人工控制使设备处于工作状态25次，处于待机或关机状态25次。为了验证运行状态判别方法的有效性及准确率，将其与直接判别方法对比，实验结果如表1所示。直接判别法通过每次监测到的电流I与初始预设阈值边界值H0对比：若I≥H0，判定设备处于工作态；若I＜H0，判定设备处于非工作态。动态判别法则根据2.3节提出的方法动态调整阈值，给出判别结果。从表1可看出：直接判别法判别错误6次，准确率为88%；动态判别方法判别错误1次，准确率为98%。

表1 不同判别方法结果对比Tab.1 Results comparison between different discriminant methods

3.2 系统有效性验证

对1台在不同工作状态切换的台式机，设定每隔10 min监测1次系统运行状态，监测结果如表2所示。从表2中可看出，利用该系统能够通过电流传感器监测电流值，并判别出设备的运行状态。

表2 某台式机监测结果Tab.2 Monitoring results of one desktop

对某机房的网络核心服务器监测区域进行温湿度监测，系统设定的温湿度测量指标如表3所示。系统监测某天0：00～20：00的温湿度监测结果如图9所示。实验测试证明了系统温湿度监测的有效性，同时与人工测试结果对比基本相同，表明系统对运行环境的温湿度监测具有较好效果。

表3 温湿度测量指标Tab.3 Measurement indices of temperature and humidity

图9 某网络核心设备区域温湿度监测结果Fig.9 Monitoring results of temperature and humidity in certain area of one network core equipment

4 结语

利用6LoWPAN技术设计并实现了基于无线传感器网络的校园仪器设备智能监控系统。该系统利用6LoWPAN技术，通过电流监测、温湿度监测，实时感知设备的运行状态和运行环境，解决了大量仪器的设备监控和管理，满足新设备随时可能增添的需求。通过该系统的投入建设不仅保障分散在各处的仪器设备环境安全，同时使得设备使用情况做到有据可查，为高校设备管理提供决策支持。该系统具有较高的通用性，不仅适用于高校的仪器设备管理，也能应用到其他类型的设备管理中。下一步工作将对积累的数据进行深度分析及可视化实现。