浅谈基于6LowPan的环境数据采集系统的设计与应用

甘奥博 李鑫苗 冀志豪 李 创 刘左龙

（中国民航大学 天津 300300）

1 基于6LowPan的环境数据采集系统的设计背景

近年来，随着人们生活质量的逐步改善，使之对生活品质有了更高的要求，同时对环境感知的敏感度也越来越高。针对传统的环境感知的低效率，使得采取有效措施精确探测各处环境数据更有积极意义。本文特设计出可以适用于多使用背景的环境数据采集系统，该系统基于6LowPan技术，使用低能耗、大场景、高密度的cc2538芯片，通过温湿度传感器采集环境数据，同时将数据传输到服务器，再通过服务器解释所接收到的数据，传送到数据库存储，最终呈现在Web界面，极大的方便了使用者对各场景环境的监测。

2 基于6LowPan的环境数据采集系统的架构

2.1 环境数据采集系统的整体架构

环境数据采集系统主要由多组环境数据采集节点、服务器节点以及环境数据显示平台三部分组成。

其中，环境数据采集节点主要实现多个不同地点的环境数据采集，采集节点读到数据后将数据简易地显示在LED显示屏上，同时在传感网里通过IPv6进行数据传递，传到特定网关后，通过服务器节点的中间件来对所接收到的数据进行汇总和处理，进而将处理过的数据上传到数据库，最终在Web界面实现对各个传感器所在位置的环境数据的实时处理。具体流程如图1所示。

图1：环境数据采集系统整体架构

2.2 环境数据采集节点的架构设计

环境数据采集节点主要由温湿度传感器、LED显示屏、cc2538芯片以及若干节1.5V供电电池组成的电源模块构成，如图2所示。

图2：环境数据采集节点架构

2.3 环境数据服务器节点的架构设计

环境数据服务器节点主要由cc2538芯片、网络模块、USB转串口模块和供电电源模块组成，其中，服务器节点通过网线连接网络模块和路由器通网，连接如图3所示。

图3：环境数据服务器节点架构

3 环境数据采集系统的主要元器件选型分析

3.1 单片机的选取

采集节点和服务器节点的单片机的选取，主要考虑了编程特点、价格、串行接口数量、能耗、生存环境等方面因素，最终采用由TI公司推出的CC2538芯片，该芯片具有丰富的例程源代码，便于开发学习和使用。且该芯片是一款集成性ARM Cortex-M3内核实现对集中网络的高效处理的芯片，支持6LowPan、ZigBee以及其他诸如802.15.4与Ipv6等基于IP的标准。此外该芯片通过集成性引脚对引脚兼容的8K至32K RAM选项可实现最大的灵活性，对代码运行有足够的空间，同时该芯片对电池供电应用进行了优化，符合本系统对低能耗的要求。

3.2 温湿度传感器的选取

DHT11数字温湿度传感器，是一款含有已校准信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感器传感技术，确保产品具有优质的可靠性和长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC测温元件，并与一个高性能8为单片机相连接。因此该产品抗干扰能力强、性价比高且体积小，符合本系统的要求。

不过该传感器的湿度调控范围一般在0-90%RH，其中湿度精度为±其中湿度，温度在0-50℃范围内，精度为±围内；采集节点焊接时应注意与电路板之间留一条缝隙，以防温度影响，手动焊接时在最高300℃的温度条件下接触时间须少于3秒；平时避免紫外线暴晒，以免影响数据准确性。

3.3 网络模块的选取

以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，是应用最广泛的局域网技术。它可以在半双工或全双工两种模式下工作，且采用了带冲突检测的载波侦听多路访问机制。ENC28J60是带有行业标准串行外设接口的独立以太网控制器，它能够兼容IEE802.3协议的以太网控制器，且数据冲突时可编程自动重发，接口速度快。该网络模块的工作电压范围为3.14至3.45V，温度范围为0℃至70℃，各方面符合本系统对网络连接的要求。

该模块用于服务器节点，通过ENC28J60网络模块实现单片机的以太网功能，从而获取网络IP地址后可供采集节点向该IP地址即服务器节点传输数据。

4 环境数据采集系统的软件设计

该系统数据采集部分主要在虚拟机 Contiki操作系统环境下进行，它适用于嵌入式系统和无线传感器网络，通过在对例程源代码的学习基础上进行数据采集节点的开发与实现。服务器端通过串口调试助手来进行显示下机位发来的数据从而便于调试。由下机位通过串口将数据上传到PC，存入数据库中，本系统数据库使用Navicat软件。最终Web界面的数据呈现通过MyEclipse软件搭载Spring框架，PC最终将数据库的数据呈现在可视化的界面，可供用户清楚环境数据的变化与状态。

5 环境数据采集系统的测试

5.1 数据传输距离测试

无线网信号的传输质量、节点之间的距离节点工作环境的多样性都影响着数据传输质量，选取合适的传输位置与节点间距离，能够有效保证无线网络中数据传输过程的有效性，提高环境数据采集系统的工作效率。为探究数据采集节点和服务器节点在无线网络中的各种环境下的最大传输距离，在校园内无遮挡和有遮挡的条件下进行了对比试验与探究。实验过程中采用红外测距仪进行测距，在实验环境为室外15摄氏度左右、无风无雨且两节点之间墙壁等障碍物无遮挡的情况下，数据稳定传输的最大有效距离为69.6米；在同样的室外环境条件下，将服务器节点置于宿舍阳台，数据采集节点置于阳台外同方向室外，在两节点之间以墙壁作为障碍物，数据稳定传输的最大有效距离为18.7米。

5.2 系统持续性测试

节点工作环境的多样性无法保证每一个节点都能无限通过电源适配器供电且不易于安置，因此选取合适的电池组为采集节点和服务器节点供电，可以有效缩小节点的体积，便于移动与安置。而电池组的工作持续时间也极大影响了该系统的工作效率和人力资源。实验过程中采用五节1.5V芯电池，每分钟发送一次数据且带屏幕显示的情况下，能持续工作4天零3小时左右，能够保证该系统工作的需要。

6 环境数据采集系统的现实应用

该系统应用范围广泛，应用场景多样，可以大幅度节约人力、物力，提高环境监测效率。本系统只添加了温湿度传感器，除此之外，还可以添加二氧化碳浓度传感器、压力传感器等，结合不同的数据传感器，可以应用于不同场景，实现不同的功能。可以用于校园，置于多个采集节点放在教室，用来监测教室温湿度，比如夏季教室温度过低时，教学楼工作人员可及时调控教室空调温度以防学生感冒；可以用于智能家居，将结合多个传感器的采集节点置于空巢老人家中，通过监测室内气体浓度变化来判断老人有无异常，以便家人实现对老人的“智能看护”；可以用于种植蔬菜、水果等的大棚，从生长阶段到采摘存储阶段都实现对环境数据的智能监控，实时报警，从而提高果蔬品质。诸如此类，环境数据采集系统可以应用于各种场景且具有成本低、高效率的特点，值得广泛使用。

7 结束语

本系统应用可以根据不同情境，结合不同类型的传感器实现多功能应用。不过本系统在实现过程中也有诸多需要改进与再考量之处。无线电的传输可能偶会发生不稳定的情况，还需要进一步寻找解决方案改善提高；电路板的插线接口较为脆弱，需要仔细存放，后期可以进行电路板连接改良，保证电路板插线稳定不易断；关于供电电池的选取后期也可再进行多次实验，选取可保证不同种类数据传感器最大工作效能的电池组。此外，还需要进一步对所采集的数据进行实时呈现与应用，提高系统的实用性。