基于无线传感器网络的室内监控系统探究

王刚 何世华 郭静静 范桂龄

引言：如今，人们主要利用各类传感器来对室内环境中的状态信息进行获取，以此实现对室内环境的有效监控，现在主流的室内监控方法是将采集模块和变送器进行连接，然后通过现场总线来实现数据传输，而中央控制单元则会对接受到的数据进行综合处理。不过这种室内监控方法在布线上过于复杂，且会花费较高的施工成本。无线传感器网络的出现，使这些问题得到了有效解决。为此，以下基于无线传感器网络的室内监控系统进行分析与研究。

1. 基于无线传感器网络的室内监控系统构成及原理

1.1 系统构成

在基于无线传感器网络的室内监控系统中，无线传感器网络的组建可以采用IEEE802.15.4标准，这样能够提高无线传感器网络的可靠性与安全性，从而使有线室内监控的一系列问题得到有效解决。无线传感器网络在组建过程中是以ZigBee技术为核心的，该技术作为一种低速率、短距离的无线网络通信技术，是无线传感器网络实现室内监控功能的基础。在基于无线传感器网络的室内监控系统中，ZigBee技术的应用，能够为室内监控系统在设计网络层与应用层框架时提供强大的技术支持。在室内监控系统无线传感器网络中，主要包括三种拓扑结构，即星型结构、网型结构与树型结构，该框架中包含有若干个终端设备及对应的路由设备，而协调器则仅有一个，在网络层框架中，协调器发挥着核心作用，其能够对网络进行有效维护，而路由设备则在其中发挥着接力作用，其能够使信号在更大的范围内传输。

在对基于无线传感器网络的室内监控系统进行研发与设计时，需要将ZigBee技术应用于其中，以此实现对无线传感器网络的高效组建，在该系统中，其无线传感器网络主要包括三个组成部分，分别是控制单元、中央监控设备以及传感器节点，其中，传感器节点即ZigBee节点，这些节点可被布置在室内环境的各个角落，通过传感器节点可实现对室内空间中各种环境状态信息的自动采集，并对采集的环境状态信息进行预处理与上传，除此之外，还能使无线传感器网络具备主动探测功能。而对于中央控制设备来说，其是由声光报警器、GPRS通信模块、ZigBee网络协调器以及平板电脑等四个部分所组成，利用中央控制设备可实时接收来自于ZigBee网络节点经过预处理后所传输的环境状态信息，并可对这些环境状态信息进行综合处理，如存储、响应、分析及显示等，这样监控人员便可通过显示屏来查看室内环境的情况。在室内监控系统中，可安装很多类型的无线传感器，如红外线传感器、振动传感器、声波传感器等，利用这些传感器可使室内监控系统实时掌握室内空间中的安全情况及环境质量，此外，用户还可利用该系统对室内的环境参数进行设置与调节，从而使室内环境质量最终满足用户要求。

1.2 系统运行原理

基于無线传感器网络的室内监控系统在运行过程中，室内空间内的环境参数会被无线传感器节点定时检测与采集，然后将其传输给中央监控端，数据的传输与上传功能则是通过ZigBee网络来实现的，中央监控端会通过数据分析及处理将结果显示在屏幕上，同时，其会将数据分析与处理结果和预先设置的报警阈值进行比对，当系统发现某一环境参数的检测值高于报警阈值时，便会发出警报，最后，用户还可利用GPRS模块来实现对室内环境数据的远程获取与设置。

2. 基于无线传感器网络的室内监控系统软硬件设计

2.1 硬件设计

在基于无线传感器网络的室内监控系统中，其硬件部分分为ZigBee网络协调器节点以及无线传感器。在设计ZigBee网络协调器的节点时，需要分别设计其微控制器模块、串口电平变化模块、电源模块以及无线接收模块，考虑到网络协调器的运行时间较长，因此需要对其供电方式进行改进，可利用USB来对其进行供电。在设计无线传感器节点时，则需要分别对电源模块、传感器模块、微控制器模块以及无线发送模块进行设计。其中，在设计传感器节点时，需要通过电池来进行供电，同时考虑到节点的能耗，在设计过程中还要采取周期制的方式来安排其运行时间，当节点模块不使用时，则会自动休眠。在休眠模式中，需要确保CC2530的能耗在1μA以下，而在对数据进行上传或传输时，可对CC2530进行定时唤醒。在对稳压芯片进行选择时，考虑到一般的稳压芯片会产生较大的静态电流，因此建议采用由HOLTEK企业所生产的HT7333芯片，该芯片在使用过程中能够有效避免静态电流过大的问题。

2.2 软件设计

在对软件进行设计时，需要按照上位机与下位机两个部分来进行分别设计，其中上位机主要是在计算机上运行的，其本质上是一种客户端软件，用户能够利用上位机来实时监控室内环境，并通过上位机来实现对各种应用终端的控制。而下位机的设计则包括两个部分，一种是对无线传感器节点软件进行设计，另一种是对ZigBee网络协调节点进行设计。在设计室内监控系统的软件时，需要选择Visual Studio 2010开发环境，开发语言则采用C#，在该软件系统中，主要包括参数设置模块、控制量输出模块、通信模块以及实时监测模块。其中，ZigBee网络协调节点、监控系统和GPRS在进行数据传输及交互时主要是利用通信模块来实现的，而用户在设置室内环境参数时则是通过参数设置模块来完成的，安装于室内空间各个角落的传感器在对环境信息进行采集与显示时则离不开实时监测模块。对于控制量输出模块，则可实现对室内监控系统的声光报警及输出控制量。在对下位机的软件进行设计时，需要分别对无线传感器节点软件以及ZigBee网络协调节点进行设计，以TI中的Z-STACK协议栈来进行程序设计，并且在软件设计中需要将开发环境设置为IAR集成开发环境，同时严格按照模块化设计思路来进行，开发语言则采用C#语言。在ZigBee网络中，该网络的维护、建立及串口传输等功能都是利用协调节点程序实现的。当传感器节点中有电流经过时，系统会自动初始化配置MCU，然后对无线传感器网络进行全面扫描，当检测到协调器后便会自动创建网络，同时提出加入申请，在加入申请通过后系统便会对传感器信息进行周期性的采集，然后通过滤波处理将结果反馈至网络协调器，当ZigBee网络节点处于空间时则会自动切换至休眠状态。

3. 系统测试及分析

为了对其性能进行验证，将测试环境确定为办公室环境，在办公室内布置三个无线传感器节点，环境测试参数则包括室内的温度、湿度，并将温湿度传感器分别安装在相应位置上，温湿度传感器的安装高度为距地面1米m，并按照天线水平对传感器节点进行垂直放置。此外，在温湿度测试中为了更易获得温湿度的检测误差，还采取多次重复采集的方法。通过观察，可以了解到办公室室内环境的温湿度在每秒一次的采集周期下，并未出现丢包率，而温度监测误差与湿度检测误差则分别为±0.4与±4%，由此说明无线传感器网络的室内监控系统在监测数据上有着良好的准确度，数据传输较为稳定，且能够满足室内空间的环境监测要求。

结语：本文提出一种基于无线传感器网络的室内监控系统，探讨了该系统的组成、原理及软硬件设计，并对该系统的性能进行了验证。利用ZigBee技术，可有效解决以往在室内监控系统设计时存在的布线复杂、成本较高等问题，进而使室内监控系统能够更加智能化的监测室内环境，相比于以往的室内监控系统，其有着极为广泛的应用前景。

参考文献：

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