基于ZigBee技术的公共实验室远程监控系统

李志博

(天津理工大学，基础实验实训中心, 天津 300350)

0 引言

当前，公共实验室与实验仪器数量显著提升，为保障公共实验室的稳定运行以及实验室内实验仪器的安全性[1]，公共实验室远程监控系统的研究成为保障公共实验室安全与管理的热点课题[2]。当前普遍使用的远程监控系统主要有基于ARM平台的远程监控系统[3]和基于云数据处理的分布式光纤应变远程监测系统[4]。这些系统主要通过有线网络构建传感器组网进行环境的感测，实现远程监控与管理。有线网络的主要优势在于网络链路的高稳定性，但有线网络需进行布线与安装等环节，布线费用昂贵、维修困难、难于扩展和移动，甚至某些情况下无法布线成功，且系统的抗毁性较差，一旦主控芯片出现故障，整个系统面临崩溃。针对这一问题，设计基于ZigBee技术的公共实验室远程监控系统，利用ZigBee技术有效地解决组网移动性限制等问题，同时利用ZigBee技术设计公共实验室远程监控系统，利用合理的布局还能够防止出现监控盲区[5]，传输距离远，功耗低，且使用ZigBee技术单次传输数据量较小，信号的收发时间短，效率较高。

1 公共实验室远程监控系统设计

1.1 ZigBee网络拓扑

ZigBee技术是一种无线自组网技术，能够按照用户核心需求的差异构建具有不同拓扑结构的网络。ZigBee网络的主要拓扑结构为星型网、树簇状网和对等网[6]。其中对等拓扑网络属高级别的冗余性网络，其主要优势体现在其自主修复功能方面[7]。对等拓扑网络内任一设备均能够同射频范围内其他设备进行通信连接，经由路由中继实现数据传输，以此扩展网络覆盖范围。基于此，基于ZigBee技术的公共实验室远程监控系统设计过程中，从不同公共实验室差异性角度出发，采用对等拓扑网络，不仅可改善网络消耗显著的缺陷，且能够解决部分监控点通信距离过长导致的通信盲区问题。图1所示为对等拓扑网络结构，其中，白色方块、灰色方块和黑色方块分别表示ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。

图1 ZigBee网络拓扑—对等网

1.2 系统整体结构

采用图1所示的对等拓扑网络设计基于ZigBee技术的公共实验室远程监控系统，系统整体结构如图2所示。其由ZigBee网络模块、嵌入式网关和远程监控服务器共同组成。此ZigBee网络模块选用CC2530芯片作为微处理器，该处理器能够实现150m范围内点对点的通信连接[8]。ZigBee网络模块内包含数量不等的ZigBee终端节点和一个ZigBee协调器，前者的主要功能是采集温度、湿度、光照、烟雾、电力、红外等传感器数据，并控制相关联动设备进行声光报警与电源开关等操作[9]；后者的主要功能是汇聚ZigBee网络内不同终端节点的数据，利用RS-232接口将数据传输至嵌入式网关内，并将网关的控制命令传输至不同ZigBee终端节点内。

嵌入式网关采用Cortex-A8微处理器，主要功能是实现ZigBee网络与以太网间的数据交换，采集监控视频，并负责数据融合与请求仲裁等[10]。

嵌入式网关通过以太网与远程监控器相连，将获取的监控信息传输至远程监控器内，利用服务管理系统对监控信息进行存储与分析处理。当处理结果显示当前数据与以往相比存在明显异常时，可利用声光报警、手机短信与电子邮件等方式向相关人员发生警报。

1.3 监控报警流程设计

系统设计的主要目的是对公共实验室的环境进行远程监控，对监控数据异常波动进行报警。以Z-STACK协议栈为基础设计系统报警程序[11]，通过OSAL(Operating System Abstraction Layer，操作系统抽象层)操作系统实现不同类型时间的响应。系统运行过程中ZigBee环境感测节点与防盗视频监控信息处理流程如图3所示。

图2 系统整体结构

图3 ZigBee节点与防盗信息报警流程

图3内，根据周期事件触发节点方式[12]，实现ZigBee环境感测节点采集公共实验室环境信息流程中信息的采集、判断与事件标志位的设定；信息处理流程的主要功能是接收事件标志位判断结果与ZigBee网络指令数据，同时依照接收的信息实现节点动作响应。

1.4 基于测距的定位技术

图3所示报警流程中设置事件标志位所采用的是基于测距的定位技术，该技术根据测量与判断未知节点同已知节点间的距离，依照集合关系确定节点相对位置。该技术的核心在于测距[13]，普遍采用测距方法有接收信息强度指示法、信号到达时间差法和信号往返时间法。

(1) 接收信号强度指示法是基于已知发射节点发射信号强度，根据接收节点接收的信号强度确定信号在传输过程中的损耗；基于信号传播模型，通过信号损耗与距离之间的转换进行定位。该方法的对数——常态模型为

(1)

式中，PL(d)和PL(d0)分别表示距离发射节点d处的路径损耗和经过距离d0后的路径损耗，n和Xσ分别表示路径损耗指数和与均值为0的噪声。基于式(1)依照路径损耗确定距离d。

(2) 信号到达时间差法主要是发射节点同时发射2种传播速度有所差异的无线信号，接收节点依照各信号到达时间差与各信号传播速度能够确定发射节点与接收节点的距离d[14]。发射节点发射2种无线信号的时间用T0描述，接收节点接收各信号的时间分别用T1和T2描述，用V1和V2分别表示2种信号的传播速度，则下式可描述距离d：

(2)

信号到达时间差法的测距精度较高，且能够改善需要精确时间同步的问题，在计算过程中较为简易。但其同样具有传感器接收信号时需配备额外硬件的缺陷，不仅提升的系统成本还提升了系统的能耗。

(3) 利用信号往返时间法进行测距主要是基于不同时钟域内的发射节点与接收节点，经由确定往返时间、扣除处理延时等过程确定发射节点与接收节点间的距离，公式描述如下：

(3)

式中，T0、T3和T1、T2分别表示发射节点与接收节点的时钟域。

在系统实际定位过程中，有针对性的在上述3种测距算法中选择测距算法，能够提升系统测量精度。在确定发射节点与接收节点间的距离后，通过三边定位与多边定位算法进行节点定位。

三边定位技术是根据3个已知的参考节点坐标以及这3个节点与未知节点的距离，计算位置界定坐标的过程[15]。用A(x1,y2)、B(x2,y2)、C(x3,y3)和N(x,y)分别表示3个参考节点的坐标和未知节点坐标，用r1、r2、r3分别表示3个参考节点和未知节点间的距离，则根据式(4)能够确定未知节点的坐标：

(4)

式中，参考节点坐标(xi,yi)与距离ri能够确定3个圆的唯一相交点，即未知节点坐标。式(5)中3个圆无法相交于唯一点，因此可利用多边定位的极大似然估计法确定未知节点坐标。依照多边定位判断子X=A-1b，能够确定未知节点坐标为

(5)

以三边定位为基础的多变定位算法能够最大限度上利用未知节点获取的参考节点坐标确定其自身位置坐标。用(x1,y1)、(x2,y2)、……、(xn,yn)表示参考节点A1、A2、……、An的位置坐标，r1、r2、……、rn表示位置几点到不同参考节点的距离，则可得到：

(6)

对式(6)进行优化，能够得到式(7)：

(7)

将式(7)转换为线程方程形式AX=b，其中：

(8)

2 应用测试

实验为验证本文所设计的基于ZigBee技术的公共实验室远程监控系统在实际应用过程中的应用性能，选取我国某高校化学系硕士研究公共实验室为应用对象，在远离监控对象的办公楼内搭建本文系统后，利用本文系统对应用对象进行远程监控应用测试，测试结果如下。

2.1 ZigBee网络感测分析

网络感测分析的主要内容是在模拟应用对象内部各项监控指标不同出现异常的条件下，测试本文系统响应情况。网络感测过程中，需人为地将应用对象内各类监控指标参数调整到预警阈值(温度预警阈值为40 ℃、电流预警阈值为32 A、红外检测分为有人与无人2种情况，湿度预警阈值为15%)以上，观测本文系统显示的信息与相应响应情况，结果如图4所示。分析图4得到，本文系统中ZigBee网络节点感测到应用对象内部各项监测指标产生变化，各节点监测数据小幅高于设定预警阈值(红外检测节点显示有人)时，能够利用网络传输协调信息。同时，针对除红外检测节点外其它节点能够进行切断供应电源灯操作与控制。以上分析结果说明本文系统的网络感测精度较高，满足公共实验室安全监控的智能化与高精度监控需求。

2.2 数据传输误差分析

为测试本文系统中ZigBee网络节点的数据传输性能，利用SmartRF Studio应用程序测试本文系统ZigBee网络节点的数据收发性能，测试环境分别设置为无障碍和有障碍2种，在设定好不同测试环境中发送节点的信道频率、发射功率以及发射数据包长度后进行测试，测试结果如图5所示。分析图5(a)得到，在无障碍条件下，本文系统ZigBee网络节点数据传输过程中，接收功率损耗最高可达-38 dBm左右；误码率在测试距离为15的条件下基本可忽略，在测试距离为25的条件下，基本控制在2%以内。分析图5(b)得到，在有障碍条件下，本文系统ZigBee网络节点数据传输过程中，接收功率损耗基本控制在-30 dBm～-45 dBm之间；误码率低于3.5%。图5内数据显示，本文系统强大的数据传输性能完全能够满足公共实验室远程监控需求。

图4 网络感测结果

(a) 无障碍

(b) 有障碍

2.3 系统运行稳定性分析

实验为验证本文系统的稳定性，采用本文系统、文献[3]系统和文献[4]系统对应用对象进行监控，在无障碍实验环境下，记录不同数据量条件下系统的运行中断概率，结果如图6所示。由图6能够得到，在监控数据量低于15 GB时，本文系统平均中断概低于0.02%。随着监控数据量推升，本文系统的平均中断概率也逐渐提升。在监控数据量达到30 GB时，本文系统的平均中断概率低于0.05%。实验数据说明本文系统平均中断概率曲线增长变化较平缓，其他2种系统的运行中断概率远远高于本文系统，说明本文系统对应用对象监控时具有较好稳定性。

2.4 系统运行时延分析

为验证本文系统的实时性，在无障碍实验环境下，记录不同系统传输数据的时延，结果如图7所示。

图6 平均中断概率测试结果

图7 数据传输时延结果对比

由图7可知，本文系统的数据传输时延随着数据量增加也有所增多，但与其他系统相比，时延较少，保持在170 ms内，且呈现较平稳的趋势，具有较好的实时性。

3 总结

本文设计基于ZigBee技术的公共实验室远程监控系统，利用ZigBee技术设计无线传感器组网，实现公共实验室温度、湿度、电力等安全因素的实时监控，并利用远程网络接口实现系统与管理人员的远程交互。应用测试结果显示本文系统具有较高的网络感测与数据传输精度。在系统后续优化过程中，将构建一个专业数据库用于监控数据的存储与读取，并在本文系统嵌入式网关和远程监控服务器内分别加设Web服务器和视频服务器，经由Web的形式为用户提供与系统的交互操作界面，提升系统友好度。