基于WSN的宿舍监控系统设计

焦伟平， 陈向东， 徐 良

（西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610031）

0 引言

无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Network)被列为21世纪最具影响的21项技术和改变世界的十大技术之一。它的应用领域非常广泛，如工业自动化、国防军事、医疗监护、农业、环境监测、智能家居、交通等领域[1-2]。

校园属于人口密集区，很容易爆发大规模流行疾病或传染病，比如2003年的非典、近年来常发生的禽流感等，这些疾病的一个共同特征就是人体的体温会出现异常，该设计就是通过采集学生体温来达到流行病的预警作用。学生私自在宿舍使用大功率违规电器极易引发宿舍火灾，一般的火灾先是产生大量的烟雾，然后可能产生明火，所以监测宿舍的烟雾浓度可以对宿舍火灾起到一定的预警作用。

1 系统结构

本系统主要有3部分组成，分别为数据采集、数据传输、数据显示。数据采集子系统主要有终端节点、路由节点以及协调器组成，它们之间的通信是按照ZigBee协议规范进行通信。具体部署是每个宿舍根据宿舍人数放置相应的传感器节点（本系统假设宿舍人数为4人）和一个路由节点，在每栋宿舍楼放置一个协调器，这样传感器节点采集到数据以无线的方式传输到路由节点，最后传输到协调器。数据传输子系统是一个以太网/串口网关，它实现了TCP/IP数据格式和串口通信数据格式的双向转换，它是连接下位机节点和上位机数据显示的桥梁。数据显示子系统主要有客户端软件、数据库、Web界面组成，客户端软件通过网关向节点发送命令或者接收网关发送来的数据经处理后放在数据库中，Web网页可以读写数据库，以达到远程监控的目的。具体的系统结构如图1所示。

图1 系统结构

2 数据采集子系统

2.1 节点的硬件实现

数据采集子系统有 3个不同的节点，不同的节点实现的功能不同，相应的硬件也有所不同，但是这3个不同的节点的核心芯片都是CC2430。CC2430芯片是专门用来支持 ZigBee协议的片上系统。在接收和发送的模式下，电流损耗分别小于27 mA或25 mA[3]。

每个终端节点模块由数据采集传感器模块、处理模块、无线通信模块以及电源及外围电路模块等4部分组成[4]。路由节点和协调器节点的硬件结构都和终端节点硬件结构大同小异。

2.2 节点的软件实现

不同的节点软件程序设计也是不同的，终端节点软件实现流程是硬件和协议初始化后，若成功加入网络和采集体温，判断是每天例行的在固定的时间段进行的体温测量还是上位机命令重测体温，然后发送数据，当数据发送完毕后节点进入休眠状态，以节省功耗。路由节点的软件设计流程大致和终端节点相似，只不过它还有路由转发和采集烟雾浓度的功能。协调器节点的软件设计流程是协调器上电初始化后，首先要新建一个网络，然后进入监控状态，当检测到有信号时，要判断信号的类型：节点要申请加入网络、无线信号和来自串口的信号，对不同类型的信号分别进行处理。

3 数据传输子系统

网关的硬件平台是Mini2440，它是一款ARM9开发板，微处理器采用 S3C2440。软件平台是RT-Thread实时操作系统，T-Thread是一款来自中国的开源实时操作系统，具有轻型的TCP/IP协议栈以及轻型的图形用户界面[5]。

4 数据显示子系统

4.1 C/S架构客户端软件和数据库

C/S架构即为客户端/服务器模式，现在仍是计算机应用开发的主要趋势之一。客户机和服务器之间存在多种交互关系，其中最基本体现为“服务请求/服务响应”关系[6]。客户端软件就是一个Socket通信服务器端，它采用基于TCP/IP的异步通信模式设计，因为异步模式程序在完成网络操作时并不会阻塞或挂起线程，相反，它会通过一个代理的回调函数来处理网络相关的操作[7]，具体工作流程如图 2所示。开发工具和语言分别是Visual Studio2008和C#。操作数据库用的是ADO.NET技术，数据库开发工具和语言分别是 SQL SERVER 2005和SQL。

图2 异步的Socket服务器端工作流程

4.2 B/S架构的Web网页

B/S架构即为浏览器/服务器模式，B/S是在C/S的基础上发展起来的。B/S具有使用简单客户端不需要开发任何的应用程序，只需要使用如IE之类的浏览器就可以方便的浏览信息数据[8]。Web界面采用三层架构设计，分别是数据访问及实体层、业务逻辑层和数据显示层[9]，采用的技术和语言分别是ASP.NET技术和C#。Web界面实现的功能模块有登陆模块、实时监控模块、操作节点模块、查看历史数据模块和后台管理模块。针对校园这个大环境，Web的用户有校医院、保卫处、宿舍楼管理员、导师、辅导员和监控系统管理员，不同的人员有不同的权限，登陆查看的界面亦有所不同。图3是一号楼宿舍管理员查看1-1001宿舍学生当前体温和宿舍烟雾的情况。

图3 实验结果

5 结语

该系统利用无线传感网的良好特点不仅可以有效、方便地监控学生的体温和宿舍烟雾浓度，还节省了大量的人力、财力、时间资源。经过试验，该系统可以实时的监控学生的体温和宿舍楼的烟雾情况，并在参数发生异常的情况下可以提示报警。在后续的工作中还可以多增加上位机和终端节点的互动功能，如宿舍公共设施需要维修的时候可以通过节点直接反馈；还可以在路由节点上增加热敏传感器，再联合烟雾传感器可以更好的监测宿舍火灾等。

[1]孙利民,李建中.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社,2005:3-6;319-352.

[2]王艳秋,曾维鲁,岳宇君.ZigBee技术在仓库管理中的应用[J].通信技术,2008,41(11):205-207.

[3]王洪通,金淑梅,王忠.基于WSN的公路监控系统设计[J].通信技术,2010,43(06):184-185.

[4]侯小华,胡文东,琐红雨,等 基于 ZigBee无线传感器网络技术的患者体温检测系统设计[J].医疗卫生装备,2010,31(02):65-66.

[5]梁志勇,戴胜华.基于C/S模式的煤矿监控系统的应用研究[J].铁路计算机应用,2011,20(03):30-31.

[6]刘伟.P2P IPTV解决方案与问题研究[J].信息安全与通信保密,2008(08):61-62.

[7]梅晓冬,颜烨青.Visual C# 网络编程技术与实践[M].北京:清华大学出版,2008:25-26,67-68.

[8]邢红霞.基于B/S模式的电力实时信息管理系统[J].信息安全与通信保密,2009(08):101-102.

[9]周金桥.ASP.NET夜话[M]北京:电子工业出版社,2009:287-310.