ZigBee技术在建筑物环境网络化监测系统中的应用

2015-03-09ApplicationofZigBeeTechnology

自动化仪表 2015年2期

关键词：温湿度测点分布式

Application of ZigBee Technology

in Networked Buildings Environment Monitoring System

靳卫平1　钱　堃2

(南京师范大学电气与自动化工程学院1，江苏南京　210042;东南大学自动化学院2，江苏南京　210096)

ZigBee技术在建筑物环境网络化监测系统中的应用

Application of ZigBee Technology

in Networked Buildings Environment Monitoring System

靳卫平1钱堃2

(南京师范大学电气与自动化工程学院1，江苏南京210042;东南大学自动化学院2，江苏南京210096)

摘要：通过将ZigBee无线传感器网络技术与.NET网络技术相集成，提出了一种大型公共建筑物环境参数监控系统。该方案采用MSP430单片机、CC2530及温湿度、灰尘传感器实现分布式环境参量采集。数据采集子系统具有测点-路由节点-协调器分层次结构，在ZigBee协议栈上实现协调器自组建网络;管理子系统遵循C/S及B/S相结合的开发模式，采用AJAX技术实现前台浏览器客户端与后台数据库的交互。应用试验验证了方案的可行性、可靠性，结果表明该系统为支持建筑环境监测提供了丰富的决策功能。

关键词：ZigBee建筑环境微控制器无线传感器网络监控系统

Abstract：The monitoring system of environment parameters for large scale public buildings is proposed in which the ZigBee wireless sensor network technology and. NET network technology are integrated. The distributed environment parameter acquisition is implemented by using MSP430, CC2530 and sensors of temperature, humidity and dust, in this scheme. The data acquisition subsystem features the hierarchical structure of measuring points-routing node-coordinator, and the coordinator Ad hoc network is implemented under ZigBee protocol stack. The management subsystem follows C/S and B/S pattern, the interaction between the foreground browser client and background database is achieved by AJAX technology. The applications validate the feasibility and reliability of the scheme, the result indicates that the system provides rich decision-making function for supporting buildings environment monitoring.

Keywords：ZigBeeBuilding environmentMCUWireless senor networkMonitoring system

0引言

随着我国医院、办公大楼、校园建筑等大型公共建筑日益增多,出于节约能耗、确保室内空气质量的目的，需要对环境温湿度、灰尘、光照度等环境参数进行监测。由于各种传感器通常具有不同的数据接口和电气特性，难以接入一个监测节点[1]。另外,大型建筑内通常测点分布广、布线复杂、安装维护困难。

针对低成本、低功耗、高可靠性和高稳定性的大型建筑物环境监测，本文将ZigBee无线传感器网络技术[2-5]和Web远程网络监控技术相结合，设计了一种具有分布式测点、层次化网络结构的建筑物环境网络化监测系统。ZigBee基于IEEE 802.15.4标准，具有自组网、高可靠、扩展性好、功耗低、易安装和维护简单等特点[6-7]。通过搭建测点-路由节点-协调器分层次结构的分布式数据采集平台，将传感器网络散布于整个监测区域，并通过ZigBee协议采用自组网和多跳通信方式层层传输数据。

与现有大多数基于传感器网络的分布式监测系统不同，本系统有效集成了Web远程网络监控技术，采用MVC设计模式[8]开发了管理子系统软件架构;并将C/S与B/S模式相结合，利用B/S实现数据查询，利用C/S模式实现参数实时监控功能，对多种环境参数进行了全方位可视化监测。

1系统组成与工作原理

根据我国现有的《室内空气质量标准》并结合一般办公科研类公共建筑环境监测需求，本文考虑室内环境温湿度以及可吸入颗粒物PM10作为典型监测参量。系统总体由分布式数据采集子系统、管理子系统(Web服务器)两大部分组成。系统总体架构如图1所示。

图1　系统总体架构

分布式数据采集子系统采用星型拓扑结构，根据文献[9]中的划分，系统由测量节点、路由节点和协调器这三种基于ZigBee的节点设备组成。在一般建筑物内ZigBee的可靠传输距离为10~75 m，在大型建筑物内不同楼层区域距离较远时，引入路由器节点实现数据的接力传送。为降低成本，系统中的测量节点用简约功能设备(reduced function device，RFD)实现[9]，而路由节点控制子节点通信、汇集数据和发布控制。协调器节点用于汇聚并保持整个无线网络采集的信息，同时向管理系统服务器上传数据，故此两者用全功能设备(full function device，FFD)实现。这也是此类系统通常采用的合理方案。

管理子系统将分布在大型建筑物各楼层各测点的环境测量数据汇集于部署在该建筑物中的服务器中。服务器运行后台数据库管理软件，并通过楼宇局域网络或Internet网络组成客户端/服务器结构，客户端采用浏览器Web页面形式提供图形用户界面(graphical user interface,GUI)。

2分布式数据采集子系统

2.1　ZigBee节点硬件设计

测量节点、路由节点和协调器这三种节点具有类似的基本结构(如图2所示)，为此采用模块化设计方法[9]。节点的基本结构包含电源模块、无线通信模块、主控制器模块及其各种外设接口电路。

图2　节点硬件框图

主控制器采用TI公司的低功耗MSP430F149单片机芯片。无线通信模块采用TI公司的CC2530F256射频芯片[6-11]，该芯片具有低功耗、高灵敏度、速率可调、可从休眠模式快速苏醒等众多优点。MSP430与CC2530通过SPI总线连接并查询CC2530的状态信息。在测量节点中，采用Sensirion公司的数字温湿度传感器SHT11[10-11]。灰尘传感器采用DSM501，可以灵敏检测直径为1 μm 以上的微小粒子，精度为0.5 mg/m3。系统通过单片机A/D接口及放大电路获取其采集信号。协调器采用PDIUSBD12芯片作为USB主控制器串行接口，实现与服务器主机之间的USB连接。

2.2　节点固件设计

与TI CC2530对应的软件开发环境为IAR EW8051，协议栈选择TI公司的ZSTACK 2.4.1。分布式数据采集子系统的工作流程可以分为三个阶段。首先，各节点上电后对MSP430和CC2530进行初始化，并初始化协议栈，协调器检测是否与上位机相连。其次，协调器建立网络，路由器和终端节点加入网络，并发送和处理绑定命令，测量节点把传感器采集到的数据发送给路由节点，路由节点又转送给网络协调器。然后协调器把收到的数据进行处理和消息封装后通过USB接口发送至服务器，将记录写入服务器数据库。

测量节点在初始化MCU、射频芯片后还要初始化SPI 接口。同时，在其主循环程序中判断各种内外部中断源的中断类型，并分别跳转至定时器中断、传感器数据采集中断、数据发送中断等三个子程序。另外，本文参照文献[6]设计了协调器固件的处理流程，它负责启动网络、配置网络成员地址、维护网络、接收及发送数据等。

协调器软件流程如图3所示。

图3　协调器软件流程

3管理子系统应用软件设计

管理子系统总体架构采用MVC设计模式，即包含模型、视图和控制器分离的软件架构。该技术在组织代码方面将业务逻辑和数据显示分离，强制性地将程序的输入、输出和处理分开。

用户通过浏览器发送HTTP请求到控制器，控制器根据请求的内容从模型中获取合适的数据，然后选择合适的视图呈现给用户。本管理软件通过LINQ to SQL接口查询数据库中的数据。客户端与后台服务器

使用异步的JavaScript与XML技术(asynchronous JavaScript and XML，AJAX)进行数据交互，页面加载时使用AJAX从后台获取查询数据。这样可以减少浏览器和服务器之间交换的数据，并减少Web服务器的负荷。数据格式采用JSON格式，是一种轻量级的数据交换语言。管理子系统应用软件框图如图4所示。

图4　应用软件总体框图

Web页面内容使用HTML语言编写，而页面样式在CSS文件中编写。页面的交互行为使用jQuery库进行编写，并嵌入到HTML中或在独立JS文件中。

4系统验证及测试

系统部署在某校园科研大楼，平面布局如图5所示，实际应用软件开发环境为.NET Framework 4.5，VS2012 .NET集成开发环境，数据库软件为SQL Server 2008 R2。基于上述平台，分别对数据采集子系统和管理子系统的可行性、可靠性进行了测试试验。

图5　应用场景分布

4.1　数据可靠性分析

随机选取不同楼层多个测点，通过测量测点附件实际温度和本系统实际采集并记录的测点数据进行比较，如表1所示。由表1可见在四季常见室温10~40 ℃范围内，系统测量误差不超过2.5%，能够满足一般公共建筑环境监测的需求。

表1　温度测量精度

ZigBee协议的网络通信质量是衡量系统可靠性的另一个重要指标，为此针对无线数据传输的误码率进行了测试。在试验中发现点对点ZigBee通信存在三种传输错误情况，均认作误码：①测量节点重复发送，即多次发送相同时间戳和数据的消息包；②协调器漏收；③收发数据不一致。实际部署节点的数据传输质量与节点间距离和障碍物阻挡情况有关。无墙壁阻挡时，节点距离小于20 m时的误码率≤0.5%，距离小于55 m时的误码率≤1%；有30 cm厚水泥墙壁阻挡时，节点距离=25 m时的误码率达到10%。为此本系统针对大型建筑物引入路由节点接力数据传输，保证了数据采集的可靠性。图6为30 s采样周期下测量数据包在24 h内的收发量的情况。由图6可见系统总体误码率低于6%。

图6　数据包收发统计

4.2　应用可行性分析

管理子系统应用软件在楼宇分层地图的基础上，提供了室内温湿度、PM10等关键参数监控，还支持扩展光照、CO2、风速等辅助环境参数。系统能实时显示采集数据及其空间分布，具有历史数据时间空间查询、数据统计分析、报表打印等功能，并具有友好实用的Web操作界面。

图7是本软件绘制所得的第四层各测点温度场分布。

图7　温度场分布

5结束语

针对大型公共建筑物节能与空气质量监测需求，提出了一种基于ZigBee技术的网络化远程监测系统。该方案的层次化拓扑结构按分区组建ZigBee网络，扩展了节点间数据传输距离，使分布于各楼层和区域内的测点数据分级汇聚并最终传输到管理服务器中。应用软件以浏览器页面形式提供丰富的监测与分析功能，系统扩展性强，为建筑温湿度及空气质量监测提供了丰富的决策支持功能。

参考文献

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[4] 宋蛰存,陈宁,李迪飞.ZigBee无线传感技术在森林火灾监测中的应用[J].自动化仪表,2011,32(4):50-52.

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