基于无线传感器网络的数据采集系统研究

王伯槐，李芸芸

(1.榆林学院 信息工程学院,陕西 榆林719000；2.榆林市榆阳区有线电视台，陕西 榆林 719000)

1 引言

广泛的应用需求推动计算机网络、通信技术和传感器技术快速发展，相应的各种短距离无线通信技术应运而生。无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)是计算机技术、网络技术、无线通信技术、传感器技术和分布式信息技术等多种技术和学科的有机融合[1]。WSN使大量的传感器节点以自组织方式形成网络，并通过无线短距离通信技术集成信息感知。与传统的数据采集方式比较，传统通常采用手动方式采集现场设备数据，随着经济和技术的大力发展，工业生产、组装设备分散的不同的地理区域。尤其涉及不适宜人工作业的数据采集如高温、高压和相应设备维护等。基于无线传感器网络的数据采集系统不仅可以解决人工手动采集系统中存在的问题，而且可以提高效率，实现实时监测。传感器网络数据采集系统可广泛应用于工业生产上，从而实现节约成本、降低能耗的目的。

2 目前研究现状

美国已经在军事领域广泛使用无线传感器网络。同时，随着应用的发展，无线传感器网络逐步从军事领域扩展到环境、能源监控、楼宇自动化甚至家庭等民用领域[2]。美国的伯克利分校、麻省理工学院等从事低功耗无线传感器网络的研究。另外，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司，四家国际知名公司加盟“ZigBee联盟”，致力于研究低耗电、低复杂度、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、安全可靠的ZigBee技术[3-4]。ZigBee已成为一个在无线传感器网络领域最好的技术之一，短距离通信技术参数对比如表1所示。

表1 短距离通信技术参数对比

中国科学院以及主要的科研机构和商业公司参与了与无线传感器网络相关的应用理论研究。中国科学院下属的计算机科学研究所开发的无线传感器网络节点GAINZ，已与主流的2.4G的无线传感器网络节点在市场兼容，传输距离和功耗有一定的优势[4]。中国科学院还在无线传感器网络安全协议研究方面做了大量工作，取得了很多成果。

3 总体系统设计

无线传感器网络定义三种类型的节点从网络逻辑的角度：PAN协调器，协调器和终端节点；PAN协调器贯穿整个网络，它通常在网络初始化时实现。协调器由网络中的数目决定，它承担网络维护的功能。终端节点一般是网络应用的终端节点，它的功能相对简单，使用量大，能耗和成本最低[5]。PAN协调器节点与温度和湿度传感点、终端节点的连接发挥着重要的作用。网络拓扑结构为星型，在星型拓扑结构中，所有的设备间的通信都相互建立在PAN协调器上。无线传感器的实体图如图1所示。

图1无线传感器

基于ZigBee网络的数据采集系统主要包括三个部分，分别是终端数据采集节点、承担数据传输的中继节点和监控软件。其中终端数据采集节点和中继节点在ZigBee网络的底层实现。终端数据采集节点对应ZigBee网络的温、湿度等实际传感节点，由终端数据采集节点和数据汇集点形成网状网络，监控软件的主要功能是实时监测ZigBee网络，并接收节点采集到的数据。终端节点采集信息数据，并通过数据采集点发送字符串给GPRS DTU。GPRS DTU接收TCP数据包，并发送到实时显示监控软件，基于ZigBee网络的数据采集系统的结构如图2。

图2 基于ZigBee网络的数据采集系统结构

ZigBee网络既包括终端节点，又包括数据采集接点。数据传感点由电池供电，数据采集节点需要稳定的电源。端点节点由温、湿度数据和仪器数据感知，ZigBee传输无线功率监控点处理。

为了反映终端节点和起始节点之间的关系，每个终端采集节点和数据汇总节点通过一个线段连接到网络。当终端节点申请加入或脱离网络时，在监控软件界面也将显示。经过TCP/IP网络接收到的数据中包含得分网络地址和网络类型，终端节点同时发送数据和数字字段。经过解析数据，提取并存储网络地址和对应的终端节点模式。运行于服务器的监控软件可以对无线传感器网络节点进行管理和配置，并启动监控任务，接收和处理监控数据。用户界面是提供监测终端和无线传感器网络的汇聚节点之间的接口。数据库存储各种类型的传感器数据，并提供相应的增加、查询、删除、调度、分析等功能。用户界面主要包括以下内容：图形化显示界面、采集数据表、监测结果分析和显示动态变化的网络拓扑结构，并对节点是否正常工作提供预警。

4 采集数据分析

启动该系统定期或实时采集温度、湿度等数据，并对采集到的数据存储、分析和可视化显示。在系统数据采集阶段，首先，传感器节点采集到的温度、湿度等与设定值比较，判断节点附近的环境条件是否满足，汇聚节点的监控终端显示报警。监控终端可以先用来保存分布图、计算节点的异常原因、收集所有的数据。工作期间，负责数据传输的节点将发送启动指令到传感器节点，并开始连续采集温度和湿度等数据，然后汇总、分析并实时显示在服务器的监控终端软件上。由6个节点温、湿度传感器在一定的时间收集的数据如表2所示。最大值和最小值之间存在一个2°的距离，比单点捕获更准确，而且每个待测点的待测数据也不相同。系统的数据通信图如图2所示。实验结果表明，无线传感器网络技术能够在待监测区域实现精细采样。

图3 系统数据通信图

在图3中，物理层包括智能家居、PC外设、游戏等，利用对等网络节点可以形成更复杂的网络，在网络层，网络拓扑灵活并具有更宽泛的使用范围和安全性。ZigBee网络是一种无线自组织网络，ZigBee网络的拓扑结构是丰富多样的，如星型网络、网状网络和树型网络等拓扑结构。传感器网络协议负责对单个节点的数据传输网络的形成；传感器网络与IEEE 802.15.4标准兼容。网络层的主要功能是路由寻址与网络的建立和维护。监听数据是依赖于TCP套接字完成，服务器通过控制监控软件完成监听数据。数据采集节点收集的数据如表2所示。

表2 数据采集值

从上表中可以看出，最高温度和最低温度是26.5℃和25.6℃。最高温度和最低温度的差异小于1°C。对于温湿度数据，监测软件的监测值每1秒钟变化一次。从而实现了实时监控的效果。

5结论

传统人工采集和单点数据采集系统的数据采集误差大，精度不高，并且不能实时大面积数据采集。为此，设计了一种基于无线传感器网络的环境数据采集系统的设计方案，该方案可以同时采集多种数据类型，包括空气温度、湿度数据、光照、压力等，并且可以部署在多个地点，实现实时监测。ZigBee协议在数据传输实现了数据传输的安全性，并与相关的接口来实现ZigBee网络层数据的安全传输。通过实验发现，最高温度和最低温度之间的差异小于或等于1°C。本文开发的监控软件功能比较简单，对数据的分析和可视化显示有待改进。并没有实现历史数据的挖掘功能，这是后期需要进一步改进和完善的。