传感网通用数据感知获取系统的设计与实现

任丽晴，张 远，尹小燕，黄骏杰，邢天璋，房鼎益

(西北大学信息科学与技术学院，陕西西安 710127)

无线传感器网络WSN(wireless sensor network)是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，节点以无线通信方式形成一个多跳的自组织网络，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域内感知对象的信息，并发送到远程用户端。无线传感器网络技术具有广阔的应用前景，广泛应用于军事、远程农业信息监测、环境监测与预报、智能家居、建筑物结构健康监测、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理以及机场、大型工业园区的安全监测等领域［1－5］。针对以上应用场景，需要感知的数据种类繁多，采集这些数据需要在传感器通信节点上扩展多种多样的感知元件，而这些元件的信号与数据模式、数据采集速率、接口形态、激励方式等都各不相同。当扩展新的感知元件时，如果每次都重新设计数据采集调理电路，会耗费设计者较多的时间精力，而且同时扩展多个感知元件时，连接与转换会异常复杂，不便于灵活使用和扩展，也不符合可重复利用和绿色环保的原则。

因此，针对基于Zigbee协议的低功耗传感网基本通信节点(以下简称通信节点)，设计传感网通用数据感知获取系统(以下简称感知系统)，方便和优化传感网技术在实际中的应用，是一件非常有意义的事情［6－8］。为了保证感知系统的通用性，很好桥接感知元件和通信节点，其设计必须满足以下两个原则［9］:1)感知系统预留的接口形式、通信模式、提供的激励方式等必须与常用的感知元件相互兼容，满足其正常的工作需求;2)感知系统使用的通信协议也必须与通信节点匹配。在实际应用场景中，利用感知系统获得环境信息之后，需要进一步对数据进行分析处理并建立实时报警系统，若保护对象处在不利环境下要能及时提醒监测人员采取相应措施［5，10］，本文借鉴文献［11］中的事件检测算法实现危险报警。

1 感知系统设计

感知平台建立在基本传感器通信节点的基础上，需与其配套使用。感知系统在通信节点的控制下通过外部感知设备采集环境数据，并将不同类型的感知数据转换为统一格式的数据包，通过无线模块发送出去。通信节点之间相互通信，最终将采集的数据上传到服务器端进行解码和存储，并对不同类型的数据分类显示和分析处理。

1.1 平台的硬件设计

感知平台主要由模数转换模块、存储模块、I/O扩展模块和电压转换模块组成。

1.1．1 模数转换模块设计 模数转换模块的基本功能是将多种传感器同时感知的多路模拟信号量(不论是单端输入还是差分输入)转化为数字信号量。此外，模数转换模块还需要与传感器节点通信，将转换后的数字信号量正确传递给通信节点进行后期处理。本模块的设计框图如图1所示。

模数转换芯片选用 TI公司的 ADS8344［12］，该芯片功耗低，转换效率高，精度满足通常的应用需求，可输入通道数较多，且信噪比较高。芯片需要接入外部时钟和外部参考电压:外部时钟DCLK由通信节点的ALE端口提供;外部参考电压Vref由外部稳压芯片提供。稳压芯片选用Semiconductor公司的 2.5V三端稳压芯片MMBZ5222［13］，该芯片成本较低且稳定性好。稳压芯片的输出电平值决定了可输入模拟信号量的最大值为2.5V，能够满足通常的应用需求。通信节点通过PWM0端口将控制字输入ADS8344的Din管脚，控制模数转换模块的开始时刻，实现通道选择、输入方式选择等功能。

1.1.2 I/O扩展模块设计 本模块的基本功能是将I2C总线扩展为并行输入输出端口，从而可以直接以外部中断方式将数据从外部I/O写入通信节点，也可以将通信节点的数据通过远程I/O直接并行输出。本模块实现了远程I/O与通信节点的直接交互，不需要占用CPU资源，其设计框图如图2所示。

图1 模数转换模块的设计框图Fig．1 Diagram of the analog to digital conversion module

图2 I/O扩展模块的设计框图Fig．2 Diagram of the I/O expansion module

I/O扩展模块选用TI公司的PCF8574A芯片，它可以实现I2C总线到8位远程并行I/O端口的扩展功能［12］，该芯片与大多数微控制器兼容，且功耗较低。该芯片的管脚接通信节点的INT0管脚，通过在端发送中断信号，远程I/O可以直接通知微控制器I/O端口是否有数据到来。在时钟信号SCL的控制下，控制器在数据端口 SDA依次发送开始信号、I/O芯片(PCF8574A)地址、读/写控制信号，而I/O芯片进行ACK应答之后，开始从远程并行端口进行数据输入或输出。

1.1.3 存储模块设计 通信节点不仅需要保存感知元件采集的数据，同时还需要转发其他节点发来的数据包，在某一时刻到达通信节点的数据量可能非常大，发生通信节点无法及时响应多数据处理的情况。这时节点就不能及时处理感知平台采集的数据，可能造成部分数据丢失，这在一些重点监测场景中是不允许的。因此感知平台在设计时，需要外扩一个可管理的存储器来缓存这些数据，即存储模块，本模块的设计框图如图3所示。

本模块的设计选用Microchip公司的I2C串行电子可擦可编程只读存储器24LC64作为外扩缓存［14］。该芯片是双总线接口，与 I2C总线兼容，且外部电路简单，体积较小，同时其功耗较低，适用于感知平台的设计。通信节点的CLK管脚为24LC64芯片提供时序信号SCL;通信节点的DATA管脚发出控制字，控制24LC64芯片完成相应的读写操作。

1.1.4 电压转换模块设计 通信节点由3节5号电池供电，其电压值会随着节点工作时间的延长而降低，并不能作为稳定的激励源向外部传感器输出。而感知平台需要外接多种传感器，不同传感器的供电电压往往是不同的，常用的为2.5V，3.3V和5V。因此，感知平台在设计时，要能够为外部感知电路提供这3种参考电平。图4为2.5V参考电平的产生原理框图，图5为3.3V和5V参考电平的产生原理框图。

电压转换模块的设计主要选用2.5V三端稳压芯片 MMBZ5222，TI公司的运算放大器TLV2473［12］和 MAXIM 公司的 MAX1795 升压芯片［15］。运算放大器是CMOS轨到轨输入输出芯片，功耗较低。MAX1795芯片只需要低电源电流，是升压型DC-DC转换器，具有真关断功能，该芯片可以为运放提供较大的供电电压Vdd。运放对MMBZ5222芯片输入的2.5V参考电压分压产生3.3V和5V的参考电平。将通信节点与运放的控制端口和相连，可以控制电压转换模块仅在需要采集外部环境数据时为感知设备提供激励源，否则处于关断状态，从而可以大大降低感知系统能耗。

图3 存储模块的设计框图Fig．3 Diagram of the storagemodule

图4 2.5V参考电平的产生原理框图Fig．4 Generation of 2.5V reference

图5 3.3V和5V参考电平的产生原理框图Fig．5 Generation of3.3V and 5V reference

1.2 感知系统的软件实现

软件系统的工作过程主要分以下几个阶段:

1)发送节点的正确配置，主要包括控制模块和通信模块工作模式的设置，保证发送节点能够控制感知平台完成多种信息的采集，使感知平台轮流采入各路传感器的模拟信号并完成数模转换，采入数字信号并完成相应转换，形成原始数据。通信模块将获得的数据组成固定的数据格式，形成数据包，并经无线模块发送出去。

2)接收节点的正确配置，主要包括控制模块和通信模块工作模式的设置，保证接收节点与发送节点工作在同一通道，能够检测、识别和接收发送节点的信息，并将接收到的数据通过串口传递到服务器端。

3)服务器端的正确配置，主要包括设置串口的数据接收速率、端口号、数据的转换模式等，完成接收信息的正确解码任务，并实现与套接字的绑定功能，将数据以用户规定的形式插入数据库保存，方便后期的数据显示以及分析处理工作。

2 感知系统的应用测试

2.1 感知系统的实际应用情况

2.1.1 传感器节点部署情况 从2009年至今，利用感知获取系统对唐皇城墙含光门过水涵洞遗址进行监测，在监测区域部署有温湿度传感器、震动传感器和气体传感器(CO2，SO2和H2S)。

2.1.2 自适应事件检测算法 根据文物保护专家的需求和建议，将感知节点部署在遗址的重要监测部位，采集可能影响遗址健康状态的环境因子，并将采集到的环境数据与遗址的生存状态关联，建立遗址生存环境与生存状态关系数据库。在此数据库的基础上研究遗址处于危险环境的检测预警算法，形成报警系统，当检测到不利情况时，及时提醒文物保护人员采取相应措施。由于遗址与博物馆内空气直接接触，其生存环境本身会随外界因子动态变化，因此检测算法需自适应地调整，减弱这种动态性导致的错误检测。本文给出两种自适应事件检测算法:基于移动均值的检测算法(Moving Average)和基于移动方差的检测算法(Moving Variance)。

1)基于移动均值的检测算法:通过比较两个不同窗口内同一节点感知数据的变化，当其变化超过预先设定的安全阈值时，则认为危险情况发生，产生报警信号。相应数学描述如下

wl对应长窗口，ws对应短窗口，qi对应采集到的感知数据序列，αl，k是长窗口内的感知数据均值，即静态环境下的感知数据，αs，k是短窗口内的感知数据均值，即当前状态下的感知数据。当＞τ时，则认为窗口长为ws的时间段内检测到不利情况，需产生报警信号，否则认为无危险情况发生，τ为设定的阈值。

2)基于移动方差的检测算法:其核心思想与基于移动均值的检测算法类似，唯一区别是该方法通过求取方差的方式完成报警，相应的数学表达式为

其中:w为窗口大小;qt为该窗口内感知数据的均值;vt为该窗口内感知数据的方差;vt和σv分别对应训练时段［tstart，tend］内vt的均值和标准差。当vt＞+r·σv时，则认为t+w时间段内发生危险情况，r为修正参数。

2.2 感知系统的测试结果

2.2．1 数据分析结果 图6是一天中监测到的CO2浓度和温度数据。由于含光门遗址博物馆的开放时间为早上9点到下午5点，随着参观游客数目的增加，遗址周围的CO2浓度上升，而当闭馆之后CO2浓度会逐渐下降。图7是同一天中监测到与地面垂直方向的震动数据。遗址低于周围地面水平线且临近马路，过往车辆引起的震动很可能损害遗址健康。在上下班高峰期，经过车辆较多，因此震动数据的峰值也出现在这2个时间段。

2.2.2 报警功能测试结果 分别调节模拟遗址生存环境的温度、湿度和震动因子，测试每种因子单独作为报警信号的性能，主要衡量指标有虚警次数、漏警次数和报警延迟时间。每种因子测试20次，每次测试时间为15 min，其中10次为安全状态，10次为危险状态。报警延迟与每种环境因子的采样频率和窗口大小有关，在测试时温湿度的采样频率为每秒5次，震动的采样频率为每秒20次。在两种自适应事件检测算法中，长窗口都设为10 min，短窗口都设为5 s。表1给出了报警系统的测试结果，表明移动方差检测算法优于移动均值检测算法。

图6 一天中CO2浓度和温度的监测数据图Fig．6 Monitoring data of CO2 concentration and temperature in a day

图7 一天中监测到的震动数据Fig．7 Monitoring data of vibration in a day

表1 报警系统测试结果Tab．1 Test result of the alarm system

3 结语

经过实际测试，感知系统应用效果良好，可以有效地采集和调理多种传感器感知的数据，数据精度和系统功耗、响应时间、稳定性也能满足实际的应用需求。下一步将探索感知系统在其他背景下的大规模应用，并根据系统在大规模应用中的新问题进一步完善系统功能。

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