基于无线传感器网络的光强实时监测系统研究

黄 勇，郭山山

( 湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施445000)

随着信息技术的飞速发展，光强监测对人们的生活愈发重要．目前的光强监测已经由人工监测发展到现在的在线监测，但仍然存在受电缆束缚安装复杂、价格昂贵、维护困难等缺点．本设计采用WSN 对光强信号进行实时监测［1］，具有较强的现实意义．

1 系统总体结构

无线传感器网络光强监测系统包括源节点(Source node)、汇聚节点(Sink node)以及相关软件．其中，源节点和汇聚节点软件子系统又包含操作系统、通信协议以及其上的应用软件子系统．汇聚节点还充当了传感器网络网关的角色，其上运行的软件子系统因为应用的不同与源节点有所区别．本设计中源节点与汇聚节点硬件结构具有一致性．系统结构如图1 所示．

本系统中源节点采集的数据传送给汇聚节点，然后汇聚节点通过串口通信传送到PC 机中，PC 机中的后台管理软件解析后将结果显示给用户，用户也可以通过后台管理软件对无线传感器网路中的各个相关节点进行管理配置，并且能够实时查询各个节点的物理属性．为了降低系统功耗，数据采集中采用了睡眠唤醒机制，源节点数据发送完毕后立即进入休眠状态，直到下一次数据传送．

2 系统硬件设计

2．1 光强传感器TSL2561 简介

图1 系统网络结构Fig．1 System network structure

TSL2561［2］是美国TAOS 公司推出的一种高性能的光强度数字转换芯片，该芯片可广泛应用于显示屏监控、街道光照控制、安全照明、蔬菜大棚光照监测等众多场合，其内部结构如图2 所示．微处理器与TSL2561 的连接图如图3 所示．

图2 TSL2561 内部结构图Fig．2 The internal structure of TSL2561

图3 微处理器与TSL2561 连接图Fig．3 The connection diagram between microprocessor and TSL2561

2．2 源节点设计

在本系统中，源节点主要包含光强信息采集模块、微处理器模块、通信模块及电源模块等4 部分，汇聚节点则不需要光强信息采集模块．节点框图如图4 所示．

传感器模块负责光强信息的采集和数据转换;微处理器模块负责控制整个节点的操作;无线通信模块负责节点间进行无线通信、交换控制信息以及收发数据;能量供应模块为电池供电．其中微处理器模块采用Atmel 公司的Atmega128L 作为微处理器;无线通信模块部分采用TI－Chipcon 公司的射频芯片CC2420［3］;传感器模块选用光强传感器TS2561;能量供应模块部分采用Power gating 技术［4］，在无数据采集任务时降低功耗．在监测系统中，源节点的数据处理能力相对较弱，而汇聚节点的数据处理能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与PC 机，实现数据的收集和监测指令的发布．

图5 节点流程图Fig．5 The flow chart of the node

3 软件设计

3．1 源节点软件设计

源节点主要负责光强信息的采集与发送，其运行流程图如图5(a)所示．

1)初始化．源节点与汇聚节点的初始化包括网络和硬件初始化两个部分．不同的是，汇聚节点的网络初始化是建立网络，而源节点网络初始化是启动ZigBee 协议栈加入网络，源节点硬件初始化还要对传感器进行初始化．

2)数据采集．TSL2561 是输出信号符合I2C 总线标准的数字传感器．当数据发送及读写时，I2C 总线支持字节、字、块读写等发送接收数据方式，本设计中采用字节的方式．

3)数据发送程序．该程序是源节点程序的核心，它将源节点网络地址、环境参数等相关数据以多跳的方式传送到汇聚节点．源节点采集完成的数据被存储在一个结构体队列中，本设计采用MSG 帧格式，格式如图6 所示，共17 个字节．

3．2 汇聚节点软件设计

汇聚节点主要充当网关的角色，一边通过无线通信协议栈与源节点交换数据，完成光强数据收集和用户控制命令分发;一边通过串口与PC 机通信．整个软件系统需时间管理队列对各层进行时序控制．当节点上电时，先进行初始化操作;然后进行信道查询，通过选择合适的信道建立一个无信标识网，并且设置网络的PAN ID，等待源节点加入网络;最后在源节点加入网络之后，接收源节点发送的光强信息数据．汇聚节点的运行流程图如图5(b)所示．

图6 MSG 帧格式Fig．6 The frame format of MSG

3．3 PC 机监测软件设计

无线传感器网络的运行状态对于网络观测者尤其重要，后台管理的系统软件目的在于收集传感器网络中各个区域内源节点收集的信息和网络参数，并且将这些数据准确地显示出来，方便用户对网络的实时监测和管理．本设计的软件平台运行在PC 机上，通过串口方式与汇聚节点通信，获取传感器网络数据，解析后将节点的状况和收集的数据在PC 上显示出来．后台软件的主要功能为:

1)接收传感器网络的数据，控制管理传感器网络和传感器网络节点．例如让节点休眠以减少系统能耗，主动查询某特定区域的物理信息等．

2)实现数据保存和数据帧的完整显示．

3)实现对复杂网络拓扑结构的支持，并且保证较好的实时性［5－7］．

4 测试结果

4．1 实验方案

为了比较各个传感器节点采集的光强信息，将3 个源节点放置在光强度不同的各个位置，其中1、2 号节点位于实验室的墙角;3 号节点放置在窗户边．节点部署如图7 所示．

4．2 实验结果

在本设计中，要使采集的光强信息用Lux(流明)为单位，需根据从通道0 寄存器和通道1 寄存器读取的相应值CH0 和CH1 进行计算，计算公示如下所示．

光强度信息测试结果如图8 所示．测试结果发现:1、2 号源节点采集的光强数据保持相对稳定;3 号源节点采集的光强数据会随环境变化有较小的波动，这说明位置环境对光强信息的采集影响很大．通过多次对光强度的采集，测试结果表明:本监测平台运行正常，并且保持了一定的实时性和稳定性．

图7 传感器节点部署Fig．7 Sensor node deployment

图8 光强测试结果Fig．8 Test results of light intensity

5 结论

采用光强传感器TSL2561，结合无线传感器网络实现的光强实时监测系统，具有精度高、成本低、使用方便等优点，该光强监测系统具有应用前景．参考文献:

［1］ 李晓维，徐勇军，任丰原．无线传感器网络技术［M］．北京:北京理工大学出版社，2007:5－17．

［2］ TAOS 公司．Datasheet for TSL2561［EB/OL］．(2009－11－01)［2014－11－02］．http://www．ams．com/chi/products/Light－sensors/Ambient－Light－Sensor－ALS/TSL2561．

［3］ Texas Instruments．2．4GHZ IEEE802．15．4/ZigBee－Ready RF Transceiver［EB/OL］．(2013－02－20)［2014－11－07］．http://www．ti．com/lit/gpn/cc2420．

［4］ IBM Research．Power Gating with Multiple Sleep Modes［EB/OL］．(2013－06－10)［2014－11－09］．http://www．isqed．org/Archive/ISQED＇06/Progran/Best_Papers/Kanak_Agarwal_ISQED06．pdf．

［5］ Ye W，Heidemann J，Estrin D．Medium Access Control with Coordinated Adaptive Sleeping for Wireless Sensor Networks［J］． IEEE/ACM Transactions on Networking，2004，12(3):493－506．

［6］ 黄布毅，何超前，李冬富，等．基于无线传感器网络的家庭安防报警系统设计［J］．电子技术应用，2007，33(1):74－76．

［7］ 黄勇，徐耀，曾刚，等．基于无线传感器网络的室内停车场定位系统研究［J］．湖北民族学院学报:自然科学版，2014，32(1):102－105．