基于无线传感器网络的房屋健康监测系统设计

周鹏 章伟 张小强

摘  要： 由于通过有线传输传感器数据来监测现有房屋安全的方式花费高，布线繁琐，线路后期维护成本高等原因，在此以ZigBee技术为平台，设计无线传感器网络传输传感器数据的监测系统。此系统包括协调器节点、路由器节点和无线传感器节点，其中节点硬件包括主电路模块、电源模块和传感器模块。软件设计是基于ZigBee技术的Z?Stack协议栈。对节点间的传输距离和数据传输准确性以及整个网络在实际建筑物中的可行性进行了测试。测试结果表明，设计的无线传感器网络系统通过路由器進行数据跳传可以准确地传输数据，并能够在实际中应用。

关键词： 房屋安全; 无线传感器网络; ZigBee; 数据传输; Z?Stack协议栈; 跳传

中图分类号： TN711?34; TP299                 文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2018）10?0005?05

Abstract： Since there exist problems of high cost， complicated wire routing and high expenses of later?stage wire maintenance in the mode of using wire transmission sensor data to monitor the existing building safety， a sensor data monitoring system based on wireless sensor network transmission was designed taking ZigBee technology as the platform. The system consists of coordinator node， router node， and wireless sensor node. The nodes′ hardware is composed of main circuit module， power module，and sensor module. The software design is based on the Z?stack protocol stack of Zigbee technology. The transmission distance and data transmission accuracy between nodes and the feasibility of the whole network in real building were tested. The results show that the designed wireless sensor network system can transmit data accurately by means of data hop transmission via the router， and can be applied in practice.

Keywords： building safety; wireless sensor network; ZigBee; data transmission; Z?stack protocol stack; hop transmission

0  引  言

目前我国房屋安全事故频繁发生，部分房屋出现突然倒塌，造成重大的人员伤亡和财产损失[1]。另外，国内很多房屋都是20世纪八九十年代建造的，经过这么多年的使用，它们的安全性能如何，是否对人们生命财产构成威胁，都是亟待回答的问题[1]。

对于房屋安全问题，传统方法是一种有线检测的过程，其缺点是不够实时和全面，此外在已建的房屋中布置数据线路不仅花费巨大，且对于后期的线路维护也将产生巨大的费用。为此，基于ZigBee技术设计无线传感器网络系统来监测房屋健康安全。

1  ZigBee技术

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术[2]。其MAC层和物理层是基于IEEE 802.15.4通信协议，而网络层协议和应用层协议是由ZigBee联盟进行标准化。ZigBee技术具有低功耗、低成本、大容量、高可靠性以及灵活的拓扑结构等特点，其可应用于商业楼宇、医学应用以及工业控制[3]。

2  系统总体方案

2.1  无线传感器网络

在建筑物中大量布置无线传感器节点来采集应力传感器、倾角传感器、以及位移传感器的数据，并通过路由器节点来完成数据的接力传输，最后将各个节点所采集到的数据汇聚到协调器上并传输到上位机。基于ZigBee技术的无线传感器网络系统框架如图1所示。

2.2  设备节点硬件框架

设备节点硬件设计主要分为两个部分，无线传感器节点硬件设计以及协调器节点与路由器节点硬件设计。无线传感器节点与各个传感器相连接，因为传感器耗电量非常大，所以无线传感器节点选择电源适配器供电。而协调器节点和路由器节点需任意布置且不需要连接传感器，所以其通过锂充电电池供电。

2.2.1  无线传感器节点

无线传感器节点并不是传感器本身，而是可以将传感器（应力传感器、位移传感器、倾角传感器等）连接在其上进行数据处理和无线传输的节点[4]。无线传感器节点设计框图如图2所示，其包括微处理器模块（内部包括射频相关模块）、电源模块、传感器模块。

2.2.2  协调器与路由器节点

协调器节点和路由器节点只负责网络建立和路由选择，不连接传感器。其设计框图如图3所示，包括微处理器模块（内部包括射频相关模块）、电源电路、电源欠压报警模块以及程序下载接口。

2.3  设备节点硬件设计

设备节点的硬件设计采用的是Ti公司的CC2530F256微处理器来实现嵌入式ZigBee的片上应用。它支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee协议，是世界上首个单芯片ZigBee解决方案[2]。

2.3.1  主电路模块设计

微控制器CC2530F256及其外围电路、巴伦电路以及天线接口，组成了节点的主电路模块部分。图4是节点的核心模块电路连接图。

图4中微控制器CC2530F256的工作电压为3.3 V，无线传感器节点是由电源适配器来供电的，而协调器和路由器是由电池来供电的。端口P0.0，P0.1和P0.6连接指示灯电路，用来指示节点的不同工作状态。P2.1（DD）和P2.2（DC）连接JTAG编程口，用于程序在线调试。在无线传感器节点中，微处理器的P1.6（TX）和P1.7（TX）口连接到倾角传感器，P0.3（TX）和P0.2（RX）口连接到应力传感器，P0.7口连接到拉线位移传感器。RF_P与RF_N引脚连接的射频天线模块包括：巴伦电路、2.4 GHz外置天线及天线接口。其中2.4 GHz外置天线是长10 cm的单天线，优点是抗干扰能力强。天线接口使用标准的SMA接口。

2.3.2  传感器模块

用于房屋安全监测的传感器主要有三种，分别是倾角、位移以及应力传感器[5]。通过布置倾角传感器，可以随时并且直观地发现房屋存在的各种安全隐患，例如墙面整体是否正在慢慢发生倾斜[6]。测位移是由于损伤、额外的负载以及一些自然因素的影响，墙面以及一些重要构件之间很容易产生相对位移[7]。如地表的轻微震动恢复平静之后，一些构件没有回到原来的位置。监测应力是因为一些局部位移量还不能完全地监测整个房屋的安全，因为房屋结构的破坏不一定在位移最大处，而是在应力或应变的最大处[8]。所以选用SCA126V?10?232型号的倾角传感器，测量范围是-10°～10°，RS 232信号输出;MSP?S?V型号的拉线式位移传感器，测量范围是0～1 000 mm，对应0～5 V直流信号;YT?ZX?0100型号振弦应力传感器，测量范围是±1 500 με，RS 485信号输出。后面以倾角传感器为例进行数据测试。

2.3.3  电源模块

无线传感器节点上除主电路模块外还连有传感器模块。图5是其电源设计原理图，在整个电源设计中，根据传感器模块，应力传感器需要24 V和12 V。倾角传感器可以是9～36 V，所以选择12 V供电。拉线位移传感器可以是10～24 V，为方便设计，也选用12 V供电。微处理器CC2530是3.3 V供电。MAX485芯片和MAX232芯片供电是5 V。所以整个节点的电源设计由24 V接入，经电源芯片LM2576S?12降到12 V，再经过电源芯片LM2576S?5降到5 V，最后经电源芯片AMS1117?3.3降到3.3 V。而路由器节点和协调器节点采用3.7 V/2 000 mA·h锂充电电池供电。图6是其充电电路和电源稳压电路。充电管理芯片TP4057和稳压芯片XC6206能够提供稳定的3.3 V电压。XC6206是一款高精度、低功耗、高电压、正电压调整芯片[9]。其失稳电压只有160 mV，所以非常适用于将3.7～4.2 V的电池电压转成3.3 V的电压。

3  系统网络软件设计

在具体调试Z?Stack协议栈时，首先需要根据具体硬件设计完成基础的设置（如按键和灯光I/O口配置），其修改文件是在hal_board_cfg.h。然后在应用层完成各个任务函数的调用和修改，如节点状态改变函数App_ProcessZDOStateChange（），在建立网络（协调器）或加入网络（设备节点）成功后，进行事件处理，包括采集传感器数据和无线收发数据[10]。

首先进行初始化協议栈并建立网络，网络建立成功后，等待接收串口命令和网络数据。图7是协调器软件设计流程图。对于无线传感器节点，初始化之后加入网络，接收网络中属于自己的数据，然后根据命令进行传感器数据采集。图8是无线传感器节点软件设计流程图。

4  系统性能测试及分析

4.1  节点间通信距离测试

无线传感器网络节点间距离测试主要分为三个部分：一是空旷条件下，单点对单点的距离测试;二是在有墙面的建筑物内，单点对单点的距离测试;

三是在建筑物内两点之间添加路由器进行数据跳传后，两点之间的传输距离。测试实验通过采集倾角传感器数据进行测试。表1是不同环境下测得的最大传输距离。其测得的通信距离是一个范围，这是因为在这样一个范围，所传回的传感器数据的精度是一个可接受的范围，这部分将在精度测试部分说明。

经过测试，在空旷的环境下，两节点之间的传输距离最远是70～82 m，当建筑物内有一面墙阻隔时，传输距离会下降，大概在30～43 m之间;如果两点之间的障碍物很密集，信号会锐减，无法建网，传输距离几乎为0。而在两节点之间添加路由器，可以有效增加传输距离，尤其是在障碍物密集时，实验测试发现，在通过有两面墙阻碍的两节点之间添加路由器，可以解决信号快速衰减问题，使得传输距离增加到38～49 m。

4.2  传输精度测试

無线传感器节点网络数据传输的精度测试，采用的是将倾角传感器的数据进行无线和有线的方式读回，然后进行对比。其中有线的数据传输是通过串口线将倾角传感器与电脑连接，即在无线传感器节点采集倾角传感器数据的同时，也会通过有线的方式发送到电脑上。表2是在有效的通信距离内不同环境下测得的倾角传感器连续20次数据的平均值（去除极值）和通过与有线对比得出的无线传输精度和丢失数据包次数。测试发现，同一环境下，在有效的通信距离内，无线数据的传输精度也会因为距离的增加而略有下降。在空旷条件下，传输精度在有效距离内与有线传输一致，精度为100%。当在建筑物内，没有路由器的条件下，传输精度会有所下降，达到93.2%（30～39 m）和91.5%（39～43 m）。而在添加路由器之后，传输精度和传输距离都有明显提高，能够达到99.3%（46～51 m）和98.5%（51～55 m）。尤其是对于障碍物较密（两面墙）情况下，添加路由器之后，可以从几乎不能传输达到大幅度提高传输距离和精度，能到达98.1%（38～45 m）和97.2%（45～49 m）。可以看出，通过路由器进行数据跳传，可以解决信号在建筑物内的衰减问题。

4.3  系统整体测试

根据节点间的距离和精度测试，系统的整体应用测试采用一种倒“T”型的拓扑结构，如图9所示，在一幢四层楼进行整个网络的布置。通过在每层走廊的水平方向和大楼的一侧外墙面垂直方向布置路由器中继节点，选择这种倒“T”型拓扑结构是因为根据前面的测试发现墙面对信号传输干扰很大（尤其是两面墙），所以通过这样的拓扑结构，尽量避免在数据传输时数据被干扰。然后添加无线传感器节点，加入这样的拓扑结构网络进行传感器数据采集与传输，进行测试。

表3是以倾角传感器为例的4个无线传感器节点通过这种倒“T”型拓扑结构传输的倾角传感器数据（去除极值后20次的平均值）。

测试结果表明，通过在建筑物中进行这种倒“T”型拓扑结构无线网络的布置，可以比较精确地无线传输关键测试点的传感器数据。所以，系统的整体设计方案是可行的。

5  结  论

本文设计一种基于ZigBee技术的无线传感器网络系统方案，并通过采集倾角、应力和位移传感器的数据，将这种网络系统应用到特定的房屋安全监测上。对节点的通信距离和精度进行测试，并在实际的建筑物中通过倒“T”型网络拓扑结构，对系统的整体进行测试。测试结果表明，所设计的无线传感器网络精度高，传输距离远。在建筑物内，通过节点间添加路由器，可以有效提高传输精度和传输距离。所以，设计的这种无线传感器网络方案可以被实际应用到房屋监测上。

参考文献

[1] LI Hongnan， REN Liang， JIA Ziguang， et al. State?of?the?art in structural health monitoring of large and complex civil infrastructures [J]. Journal of civil structural health monitoring， 2016， 6（1）： 3?16.

[2] 青岛东合信息技术有限公司.ZigBee开发技术及实践[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.

Qingdao Donghe Information Technology Co.， Ltd. ZigBee technology development and practice [M]. Xian： Xidian University Press， 2014.

[3] 王小强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2012.

WANG Xiaoqiang， OUYANG Jun， HUANG Ninglin. Design and implementation of ZigBee wireless sensor network [M]. Beijing： Chemical Industry Press， 2012.

[4] LYNCH J P， LOH K. A summary review of wireless sensors and sensor networks for structural health monitoring [J]. Shock and vibration digest， 2006， 38（2）： 91?128.

[5] LEE H M， KIM J M， SHO K， et al. A wireless vibrating wire sensor node for continuous structural health monitoring [J]. Smart materials and structures， 2010， 19（5）： 1?9.

[6] K?PPE E， BARTHOLMAI M. Wireless sensor network with temperature compensated measuring technology for long?term structural health monitoring of buildings and infrastructures [J]. Procedia engineering， 2011， 25（3）： 1032?1036.

[7] SUNDARAM B A， RAVISANKAR K， SENTHIL R， et al. Wireless sensors for structural health monitoring and damage detection techniques [J]. Current science， 2013， 104（11）： 1496?1505.

[8] 刘忠诚.房屋安全鉴定案例[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.

LIU Zhongcheng. Cases of building safety assessment [M]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2014.

[9] 张赪.电子产品设计宝典可靠性原则2000条[M].北京：机械工业出版社，2016.

ZHANG Cheng. 2000 reliability rules for electronic product design [M]. Beijing： China Machine Press， 2016.

[10] Texas Instruments. Z?Stack developer′s guide [EB/OL]. [2017?07?07]. http：//www.docin.com/p?857670922.html.