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

背景技術：

在信息技術迅猛發(fā)展的當今社會，自動檢測技術與信息傳輸相結合的智能樓宇監(jiān)測系統(tǒng)越來越多地運用到人們的日常生活中。目前，絕大多數(shù)樓房在建設期間沒有同時部署安防設備，而后期部署選用有線方式導致成本昂貴且部署困難，容易對墻體造成破壞。該項目的研究內(nèi)容利用無線傳感器網(wǎng)絡，能夠有效降低建設及維護成本。

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

目前常用的基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡解決方案存在缺陷。其與IP網(wǎng)絡存在異構，無法實現(xiàn)端到端的訪問，導致網(wǎng)絡穩(wěn)定性差。同時在我國，ZigBee僅支持2.4G通信，穿透力差，由于樓宇墻體較多，導致其信息傳輸穩(wěn)定性降低。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供基于6LoWPAN的樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過在樓宇內(nèi)各個角落放置傳感器監(jiān)測節(jié)點，將監(jiān)測的環(huán)境信息通過6LoWPAN無線通信方式傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，監(jiān)測中心可以得到各個監(jiān)測點的環(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)測水平。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：

基于6LoWPAN的樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，包括傳感器節(jié)點、邊界路由節(jié)點以及上位機監(jiān)測中心三部分；

各傳感器節(jié)點布置在每層樓，實時監(jiān)測當前環(huán)境中的溫度、濕度以及煙霧信息；

所述的傳感器節(jié)點根據(jù)樓宇層數(shù)以及每層面積大小部署相應數(shù)量的節(jié)點；每個節(jié)點采集一組數(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)點采集時間設置為每3分鐘采集1次，并通過傳感器節(jié)點內(nèi)部的微控制器進行A/D轉換，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至邊界路由節(jié)點；

邊界路由節(jié)點與上位機監(jiān)測中心的監(jiān)測主機通過以太網(wǎng)通信，通過將傳感器節(jié)點發(fā)送的6LoWPAN數(shù)據(jù)包轉換成IPv4數(shù)據(jù)包，發(fā)送至監(jiān)測主機，從而實現(xiàn)傳感器節(jié)點與上位機監(jiān)測中心的交互與遠程訪問；

所述的傳感器節(jié)點的硬件包括微控制器，微控制器上設置有四個信號連接端口，分別連接CC1120射頻模塊、溫濕度傳感器、煙霧傳感器與系統(tǒng)調試接口；

所述的邊界路由節(jié)點的硬件包括微控制器作為主控單元，所述的微控制器上設置有四個信號連接端口，分別連接CC1120射頻模塊、系統(tǒng)調試接口、時鐘模塊與以太網(wǎng)通信接口；

各傳感器節(jié)點構成傳感器網(wǎng)絡，所述的傳感器網(wǎng)絡以6LoWPAN作為組網(wǎng)協(xié)議。

所述的傳感器節(jié)點的微控制器為TM4C123GXL。

所述的邊界路由節(jié)點的微控制器為TM4C1294XL。

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)測系統(tǒng)，功能完整并能夠穩(wěn)定工作；能夠有效減少節(jié)點通信頻率，降低射頻模塊的工作時間，從而起到降低節(jié)點功耗的作用，具有組網(wǎng)方便、易維護、成本低、運行穩(wěn)定以及遠程監(jiān)測等優(yōu)點，能夠有效實現(xiàn)對樓宇環(huán)境的監(jiān)測，具有較高的應用價值和推廣價值。

而采用6LoWPAN通信技術作為無線傳感器網(wǎng)絡的解決方案，利用其IPv6特性能夠輕松實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡與Internet網(wǎng)絡之間的通信；便于系統(tǒng)維護，同時其支持Sub-1GHz通信，具有較強的穿透力，提高系統(tǒng)通信的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)結構框圖。

圖2為本發(fā)明傳感器節(jié)點硬件結構圖。

圖3為本發(fā)明邊界路由節(jié)點硬件組成圖。

圖4為本發(fā)明上位機原理框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

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數(shù)量的傳感器節(jié)點，每個節(jié)點采集一組數(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)點采集時間設置為每3分鐘采集1次，并將數(shù)據(jù)發(fā)布至邊界路由節(jié)點，經(jīng)以太網(wǎng)到達MQTT服務器，服務器根據(jù)上位機(MQTT客戶端)訂閱的消息，將數(shù)據(jù)推送到上位機；

邊界路由節(jié)點作為傳感器網(wǎng)絡與用戶之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，通過將傳感器節(jié)點發(fā)送的IPV6數(shù)據(jù)包轉換成IPv4數(shù)據(jù)包，經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送至MQTT服務器；上位機監(jiān)測中心用于向MQTT服務器訂閱消息來獲得傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)并顯示，針對異常數(shù)據(jù)發(fā)出報警信號，并保存采集的數(shù)據(jù)。

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

如圖3所示，邊界路由節(jié)點作為數(shù)據(jù)采集傳感器網(wǎng)絡與外界網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換的橋梁，在存儲容量以及計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，能夠存儲更多的節(jié)點信息以及更強大的運算能力。其硬件組成與傳感器節(jié)點相比增加了時鐘模塊和以太網(wǎng)通信接口，通過時鐘模塊來確保整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)所有節(jié)點的時間同步，而以太網(wǎng)接口則實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡與上位機之間的數(shù)據(jù)交互。

系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡以6LoWPAN作為組網(wǎng)協(xié)議，能夠較為容易的實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的上傳，降低開發(fā)難度，減少系統(tǒng)復雜度。傳感器節(jié)點選用MQTT作為應用層傳輸協(xié)議，該協(xié)議以發(fā)布/訂閱為模型，傳感器節(jié)點通過定時觸發(fā)的方式采集傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送至MQTT代理服務器。由代理服務器再將數(shù)據(jù)推送至用戶，無需用戶直接訪問傳感器網(wǎng)絡，從而減少了傳感器網(wǎng)絡的通信負擔。

本發(fā)明的工作原理：

傳感器節(jié)點采用模塊化設計，整個流程分為系統(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初始化以及網(wǎng)絡初始化，同時啟動定時器，通過定時器觸發(fā)傳感器節(jié)點采集各傳感器的數(shù)據(jù)，并進行A/D轉換后將數(shù)據(jù)打包通過MQTT協(xié)議發(fā)送至代理服務器進行數(shù)據(jù)處理；傳感器節(jié)點首先通過上位機IP地址以及MQTT固定端口號1883連接到部署在上位機上的MQTT代理服務器；然后注冊主題(topic)信息，系統(tǒng)中的主題信息即為傳感器節(jié)點編號。注冊完成后將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至代理服務器發(fā)布數(shù)據(jù)，然后斷開連接完成數(shù)據(jù)發(fā)送。

邊界路由節(jié)點初始化過程與傳感器節(jié)點基本一致；初始化完成后，等待接收消息。當接收到傳感器節(jié)點發(fā)布的信息后，利用Contiki系統(tǒng)的NAT64以及DNS64技術將接收到的信息根據(jù)DNS請求轉換為相應的IPv4數(shù)據(jù)包，然后通過以太網(wǎng)通信接口發(fā)送至上位機，完成對傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集。同時當上位機向傳感器節(jié)點發(fā)送請求時，邊界路由節(jié)點將數(shù)據(jù)包轉換為IPv6格式再發(fā)送至相應傳感器節(jié)點。

如圖4所示：上位機是用戶監(jiān)測溫室環(huán)境的主要工具，采用三層架構設計，即業(yè)務邏輯層，交互層以及存儲層。其中業(yè)務邏輯層用以處理數(shù)據(jù)，負責通信、計算以及存儲。交互層用于系統(tǒng)與用戶之間的交互。存儲層選用ACCESS數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，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)絡采用MQTT作為應用層傳輸協(xié)議，上位機需要通過代理服務器實現(xiàn)用戶與傳感器網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)選用開源消息代理軟件Mosquitto作為MQTT的代理服務器。上位機監(jiān)測系統(tǒng)啟動后根據(jù)傳感器節(jié)點編號向代理服務器發(fā)送訂閱信息，從而完成訂閱功能，當代理服務器接收到傳感器節(jié)點發(fā)布的數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)推送至上位機監(jiān)測系統(tǒng)。