本發(fā)明涉及一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具體涉及基于6LoWPAN的樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在信息技術(shù)迅猛發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與信息傳輸相結(jié)合的智能樓宇監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越多地運(yùn)用到人們的日常生活中。目前，絕大多數(shù)樓房在建設(shè)期間沒(méi)有同時(shí)部署安防設(shè)備，而后期部署選用有線方式導(dǎo)致成本昂貴且部署困難，容易對(duì)墻體造成破壞。該項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠有效降低建設(shè)及維護(hù)成本。

傳統(tǒng)無(wú)線通信方式如WiFi、藍(lán)牙等在組網(wǎng)及功耗管理方面存在不足。其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及傳輸距離有限無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模部署，且功耗較高使用壽命短。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、自組網(wǎng)、成本低、支持多跳傳輸、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)。而樓宇空間面積大，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠更好地滿足其需求。

目前常用的基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案存在缺陷。其與IP網(wǎng)絡(luò)存在異構(gòu)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)端到端的訪問(wèn)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差。同時(shí)在我國(guó)，ZigBee僅支持2.4G通信，穿透力差，由于樓宇墻體較多，導(dǎo)致其信息傳輸穩(wěn)定性降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供基于6LoWPAN的樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在樓宇內(nèi)各個(gè)角落放置傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，將監(jiān)測(cè)的環(huán)境信息通過(guò)6LoWPAN無(wú)線通信方式傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心可以得到各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境要素信息，便于監(jiān)控樓宇內(nèi)是否存在安全隱患，節(jié)省人力資源，提高監(jiān)測(cè)水平。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

基于6LoWPAN的樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、邊界路由節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心三部分；

各傳感器節(jié)點(diǎn)布置在每層樓，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前環(huán)境中的溫度、濕度以及煙霧信息；

所述的傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)樓宇層數(shù)以及每層面積大小部署相應(yīng)數(shù)量的節(jié)點(diǎn)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)采集一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、煙霧；由于各環(huán)境要素變化緩慢，傳感器節(jié)點(diǎn)采集時(shí)間設(shè)置為每3分鐘采集1次，并通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的微控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至邊界路由節(jié)點(diǎn)；

邊界路由節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)測(cè)主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)通信，通過(guò)將傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的6LoWPAN數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IPv4數(shù)據(jù)包，發(fā)送至監(jiān)測(cè)主機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心的交互與遠(yuǎn)程訪問(wèn)；

所述的傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件包括微控制器，微控制器上設(shè)置有四個(gè)信號(hào)連接端口，分別連接CC1120射頻模塊、溫濕度傳感器、煙霧傳感器與系統(tǒng)調(diào)試接口；

所述的邊界路由節(jié)點(diǎn)的硬件包括微控制器作為主控單元，所述的微控制器上設(shè)置有四個(gè)信號(hào)連接端口，分別連接CC1120射頻模塊、系統(tǒng)調(diào)試接口、時(shí)鐘模塊與以太網(wǎng)通信接口；

各傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，所述的傳感器網(wǎng)絡(luò)以6LoWPAN作為組網(wǎng)協(xié)議。

所述的傳感器節(jié)點(diǎn)的微控制器為T(mén)M4C123GXL。

所述的邊界路由節(jié)點(diǎn)的微控制器為T(mén)M4C1294XL。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明涉及的基于6LoWPAN的樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，功能完整并能夠穩(wěn)定工作；能夠有效減少節(jié)點(diǎn)通信頻率，降低射頻模塊的工作時(shí)間，從而起到降低節(jié)點(diǎn)功耗的作用，具有組網(wǎng)方便、易維護(hù)、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇環(huán)境的監(jiān)測(cè)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

而采用6LoWPAN通信技術(shù)作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的解決方案，利用其IPv6特性能夠輕松實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)之間的通信；便于系統(tǒng)維護(hù)，同時(shí)其支持Sub-1GHz通信，具有較強(qiáng)的穿透力，提高系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本發(fā)明傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明邊界路由節(jié)點(diǎn)硬件組成圖。

圖4為本發(fā)明上位機(jī)原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，根據(jù)樓宇層數(shù)以及每層面積大小部署相應(yīng)數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)采集一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、煙霧等；由于各環(huán)境要素變化緩慢，因此傳感器節(jié)點(diǎn)采集時(shí)間設(shè)置為每3分鐘采集1次，并將數(shù)據(jù)發(fā)布至邊界路由節(jié)點(diǎn)，經(jīng)以太網(wǎng)到達(dá)MQTT服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)上位機(jī)(MQTT客戶端)訂閱的消息，將數(shù)據(jù)推送到上位機(jī)；

邊界路由節(jié)點(diǎn)作為傳感器網(wǎng)絡(luò)與用戶之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，通過(guò)將傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的IPV6數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IPv4數(shù)據(jù)包，經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送至MQTT服務(wù)器；上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心用于向MQTT服務(wù)器訂閱消息來(lái)獲得傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并顯示，針對(duì)異常數(shù)據(jù)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并保存采集的數(shù)據(jù)。

如圖2所示，傳感器節(jié)點(diǎn)使用TM4C123GXL(MCU)作為控制器，CC1120作為射頻模塊。MCU初始化CC1120射頻模塊來(lái)選擇傳感器節(jié)點(diǎn)的工作方式并且匹配通信地址。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)接收到邊界節(jié)點(diǎn)發(fā)送的指令，MCU通過(guò)CC1120射頻模塊將傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)發(fā)布到邊界節(jié)點(diǎn)；

如圖3所示，邊界路由節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡(luò)與外界網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的橋梁，在存儲(chǔ)容量以及計(jì)算能力方面要求更高。系統(tǒng)選用TI公司的TM4C1294XL微控制器作為主控單元，與TM4C123GXL相比，其支持以太網(wǎng)通信、擁有更大的Flash以及RAM，能夠存儲(chǔ)更多的節(jié)點(diǎn)信息以及更強(qiáng)大的運(yùn)算能力。其硬件組成與傳感器節(jié)點(diǎn)相比增加了時(shí)鐘模塊和以太網(wǎng)通信接口，通過(guò)時(shí)鐘模塊來(lái)確保整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間同步，而以太網(wǎng)接口則實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)以6LoWPAN作為組網(wǎng)協(xié)議，能夠較為容易的實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的上傳，降低開(kāi)發(fā)難度，減少系統(tǒng)復(fù)雜度。傳感器節(jié)點(diǎn)選用MQTT作為應(yīng)用層傳輸協(xié)議，該協(xié)議以發(fā)布/訂閱為模型，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)定時(shí)觸發(fā)的方式采集傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送至MQTT代理服務(wù)器。由代理服務(wù)器再將數(shù)據(jù)推送至用戶，無(wú)需用戶直接訪問(wèn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而減少了傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)擔(dān)。

本發(fā)明的工作原理：

傳感器節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，整個(gè)流程分為系統(tǒng)初始化，傳感器數(shù)據(jù)采集，處理以及發(fā)布數(shù)據(jù)；初始化程序包括外設(shè)初始化以及網(wǎng)絡(luò)初始化，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，通過(guò)定時(shí)器觸發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)采集各傳感器的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)打包通過(guò)MQTT協(xié)議發(fā)送至代理服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；傳感器節(jié)點(diǎn)首先通過(guò)上位機(jī)IP地址以及MQTT固定端口號(hào)1883連接到部署在上位機(jī)上的MQTT代理服務(wù)器；然后注冊(cè)主題(topic)信息，系統(tǒng)中的主題信息即為傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)。注冊(cè)完成后將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至代理服務(wù)器發(fā)布數(shù)據(jù)，然后斷開(kāi)連接完成數(shù)據(jù)發(fā)送。

邊界路由節(jié)點(diǎn)初始化過(guò)程與傳感器節(jié)點(diǎn)基本一致；初始化完成后，等待接收消息。當(dāng)接收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布的信息后，利用Contiki系統(tǒng)的NAT64以及DNS64技術(shù)將接收到的信息根據(jù)DNS請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的IPv4數(shù)據(jù)包，然后通過(guò)以太網(wǎng)通信接口發(fā)送至上位機(jī)，完成對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集。同時(shí)當(dāng)上位機(jī)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求時(shí)，邊界路由節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為IPv6格式再發(fā)送至相應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)。

如圖4所示：上位機(jī)是用戶監(jiān)測(cè)溫室環(huán)境的主要工具，采用三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，即業(yè)務(wù)邏輯層，交互層以及存儲(chǔ)層。其中業(yè)務(wù)邏輯層用以處理數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)通信、計(jì)算以及存儲(chǔ)。交互層用于系統(tǒng)與用戶之間的交互。存儲(chǔ)層選用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以便歷史查詢以及數(shù)據(jù)分析。具體組成框圖如圖4所示。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)采用MQTT作為應(yīng)用層傳輸協(xié)議，上位機(jī)需要通過(guò)代理服務(wù)器實(shí)現(xiàn)用戶與傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)選用開(kāi)源消息代理軟件Mosquitto作為MQTT的代理服務(wù)器。上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)后根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)向代理服務(wù)器發(fā)送訂閱信息，從而完成訂閱功能，當(dāng)代理服務(wù)器接收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)布的數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)推送至上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。