无线传感器网络环境监测系统设计与实现

马荣华， 欧阳缮， 王鲁豫， 张晨华

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

随着科学技术的进步，医疗水平和人民生活质量的提高，来自药品、化妆品等感染病症和不良反应的问题日益引起人们的关注。人们发现要确保药品的质量，除了应遵照药典规定的特定的要求、配方外，还应具有符合要求的生产环境[1]。因此，药品生产厂房的环境因素对制药行业有着至关重要的影响。目前，针对环境监测系统的研究比较多，其中基于ZigBee的无线传感器网络在环境监测系统的应用研究最为广泛。沈益辉等[2]提出了基于无线传感器网络的室内环境监测系统，该系统设计了无线传感器网络节点，采用ZigBee协议组建无线传感器网络，通过Internet进行远程传输。王文虎[3]在此基础上对采集的数据进行滤波处理，但该方法会导致模块在采集多个数据后只能返回一个数据的结果，影响系统实时性。薛冰心[4]针对不同的场景采用不同的滤波处理。对温度、湿度和光照强度的传感器的数据处理采用限幅平均滤波法，对于采样变化幅度较大的颗粒物浓度的传感器数据处理采用了一阶滞后平均滤波法。项新建[5]对采集的数据进行数据融合处理，可靠性得到了增强，但融合算法较为复杂，实时性不强。此外，李安超等[6]改进了无线传感器网络路由协议算法，减少了节点的能量消耗。

在WSN中，节点的部署通常具有随机性，随机布局的WSN存在节点利用率低、网络覆盖率小等问题。由于虚拟力算法(virtual force algorithm，简称VFA)与网络覆盖问题的一致性，该算法在WSN中的应用日益广泛。Zou等[7]将VFA应用于WSN覆盖，但未考虑边界的影响，节点会移动到区域外，从而造成浪费。Yi等[8]在有向传感器模型的基础上提出了基于虚拟力的增强算法。张玉堂等[9]考虑区域边界条件，避免了节点超出边界的无效移动，提高了网络覆盖率。

本研究设计了基于ZigBee的WSN环境监测系统，能够很好地应用于洁净厂房等各种环境监测领域，是一种行之有效的解决方案。

1 系统方案设计

基于ZigBee无线传感器网络的洁净厂房环境监测系统主要由传感器模块、ZigBee组网模块和网关模块3个部分组成。系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

传感器模块采集洁净厂房内环境数据信息，并对其进行滤波处理后，通过串口传输至终端节点。采用ZigBee协议将多个组网模块组建成无线网络，实现对厂房多区域的环境监测。采用改进的VFA[9]对节点布局进行优化，得到较高的网络覆盖率，为实际的工程应用节点安放位置提供参考。网关模块将数据透传至外网并对设备运转情况进行预警。

2 系统硬件设计

2.1 传感器模块

根据洁净厂房设计规范，选取温度、湿度、气压、PM2.5四个关键技术指标进行监测，考虑到体积、成本等因素，选取的传感器型号及其各项参数如表1所示。

表1 传感器的型号及其参数

传感器模块硬件结构设计如图2所示。

图2 传感器模块硬件结构设计图

数字输出的传感器与STM32微处理器直接相连，模拟输出的传感器与STM32微处理器相连。STM32微处理器通过串口与终端节点相连。

2.2 ZigBee组网模块

ZigBee组网模块硬件结构设计如图3所示。

图3 ZigBee组网模块硬件结构设计图

ZigBee组网模块由CC2530处理器、天线单元和电源模块3个部分组成。ZigBee网络中根据节点功能的不同分为终端节点、协调器节点，各节点硬件结构完全相同。终端节点通过串口与传感器模块相连。协调器节点通过串口与网关模块相连。

2.3 网关模块硬件设计

网关模块硬件结构设计如图4所示。

图4 网关模块硬件结构设计图

网关模块包括STM32微处理器、串口、ESP8266串口转WIFI模块、电源模块。该模块通过串口与协调器节点相连。

3 系统软件设计

系统软件设计包括传感器模块软件设计、ZigBee组网模块软件设计、网关模块软件设计。其中ZigBee组网模块软件设计包括协调器节点软件设计和终端节点软件设计。

3.1 传感器模块软件设计

传感器模块软件设计流程如图5所示。

图5 数据采集软件设计

首先采集环境中的温湿度、粉尘浓度、气压信息并将其分别缓存在一个队列里。为了有效地去除各种因素对采集数据的干扰，采用中值滤波和滑动均值滤波[10]算法相结合的方式对数据进行处理，滤波算法流程如图6所示。

图6 数字滤波算法软件设计

3.2 ZigBee组网模块软件设计

在Z-Stack协议栈的基础上实现组网模块的软件设计[10]。协调器节点主要进行网络的组建和无线数据的接收并将数据通过串口传送至网关模块。终端节点查找是否有可加入的网络，加入网络。接收传感器模块通过串口传来的数据进行数据的无线发送。为了减少网络节点能量消耗，在无数据时，调用休眠函数使系统处于休眠状态，在有数据传输时，调用唤醒函数激活节点进行数据的传输。组网模块的程序流程如图7所示。

图7 组网模块程序流程图

3.3 传感器网络节点布局优化算法

3.3.1 传统的VFA

由于VFA与节点覆盖技术的一致性，采用VFA来对节点布局进行优化[11-12]。具体的虚拟力建模如下：

设任意2个节点si和sj，节点si受到节点sj的作用力满足以下受力关系：

(1)

其中：k1、k2为增益系数；dij为节点si和sj之间的距离；dth为节点间距离阈值；rs为节点间最佳距离。

各传感器节点会根据总的合力大小进行节点位置更新，更新公式为：

(2)

(3)

其中：dm为传感器节点最大移动距离；Fxy为作用于节点的虚拟力的合力；Fx、Fy为Fxy在x轴和y轴分量。

3.3.2 VFA的改进

传统的VFA只考虑了节点间的作用力。为减少节点在位置更新的过程中的时间损耗，加入网格格点对节点的作用力，其定义如式(4)所示。

(4)

其中：ω为增益系数；r为感知半径；R为通信半径；dig为节点与格点之间的距离。

实际环境监测过程中，会有节点聚集在边界上的情况，具体如图8所示。

图8 存在大量边界节点的情况

在该情况下，按上述规则进行节点移动，必然有节点会排斥到边界外，造成无线传感器网络节点覆盖能力减弱。

设感兴趣区域的边界对节点也存在一个约束力Fb，使得节点不会被“排斥”到区域外，该力的表达式为：

(5)

其中：di为传感器节点i到边界的距离；φ为增益系数；dbth为边界距离阈值。

3.4 网关模块软件设计

WiFi模块加载了机智云固件，在机智云平台建立相应的数据点，实现网关模块、机智云服务器、应用程序之间的数据交互。首先是网关模块通过串口接收协调器节点传来的数据，然后对洁净设备运转情况做出预警，最后将数据通过串口发送至WiFi模块透传至外网。网关模块软件流程图如图9所示。

图9 网关模块软件设计流程图

4 实验结果分析

4.1 系统实用性测试

对该环境监测系统中数据收发情况进行完整测试，数据接收界面如图10所示。

系统能够正常显示所监测的环境参数信息，且能对新风空调系统中各个组件的运转状况做出判断，大大节省了人工排查消耗的时间，能够在极短时间内排除故障，使设备正常运转。

4.2 滤波算法有效性测试

对传感器模块采集的数据进行滤波处理，将本算法与中值滤波、均值滤波相对比，算法滤波效果如图11所示。

由图11可看出，经过软件滤波后，信号变得更平滑，更加稳定，把一些严重的干扰滤掉了。本算法去除了信号中比较尖锐的成分，使数据更加平滑。

图10 Android APP数据接收界面

4.3 虚拟力算法有效性测试

仿真试验在Matlab R2013b上进行，相关参数设置为：无线传感器网络监测区域为800 m×700 m，网格大小设置为2 m×2 m，传感器节点数N=36，感知半径r=90 m，传感器节点在格点作用下的最大步长dth=2.5 m，在传感器节点作用下的最大步长dm=3.5 m。传感器节点在初始状态和优化后分布情况如图12所示。

无网格格点的作用力时，运行耗时15.310 472 s。加入网格格点对节点的作用力后，运行时间为12.368 850 s，算法运行效率明显提高。改进的虚拟力算法优化得到的节点覆盖率提高了6.3%。从图12可看出，与节点初始随机分布图相比，采用改进的虚拟力算法，节点分布较为均匀，“空洞”减少，很好地完成了对区域整体监测的任务。

图11 滤波效果图

图12 节点分布图

为了研究算法对节点的作用有更加清晰地认识，设计了节点在整个运算过程中移动的路径图，如图13所示。

图13中的圆点表示节点的初始位置，曲线则表示节点移动的过程，从图13可看出，前期节点的运动路径比较流畅，后期出现震荡，算法最终的收敛效果并不理想。

5 结束语

设计了基于ZigBee无线传感器网络的洁净厂房环境监测系统。设计了传感器模块，对环境数据进行采集，并对采集的数据进行滤波处理,提高了系统的稳定性和准确性。设计了无线传感器网络节点，实现ZigBee协议下的自组网，无需布线，降低了系统成本。同时，采用改进的虚拟力算法实现无线传感器网络节点的布局优化。仿真实验证明，改进的虚拟力算法能够有效地提高网络覆盖率，且收敛速度较快。实验结果表明，该系统能够实现环境数据的远程监测，可较好地应用于洁净厂房等环境监测领域，是一种切实可行的方法。

图13 节点行径路线图