引言

近年来智能校园、绿色校园的理念已经深入人心。首先，人们可以通过对校园内各种资源的有效监测，进一步节约能源。其次，通过对各种环境因素进行监测，有助于保障安全、方便学习与工作。最后，可以通过实现物联网[1]和互联网的无缝连接，发掘海量数据的潜在价值。但是这几个方面实现的基础，是无线传感网络。在智能家居[3]、远程抄表[4]、定位[5]等方面，无线传感网技术衍生了一系列有价值的应用。本文实现了校园无线传感网络的设计，包括整个系统的软硬件设计、自定义组网运行和客户端应用。以嵌入式系统结合中心节点实现网关的设计，从而实现对无线网络的监控调节、数据处理显示等，海量数据将存储在服务器上以备数据挖掘之用。客户端一方面在PC上实现，另一方面考虑到智能移动终端的普及，在iOS和Android系统下也进行了实现。

1 网络组成

完整的网络体系是实现无线传感网及其应用的基础，包括终端节点、嵌入式网关、网络拓扑与协议，以及客户端应用。本文采用TI公司的CC2530作为传感器终端和网关的无线通信模块，其MAC层和物理层基于802.15.4标准，高层采用6LoWPAN协议栈。网关方面采用基于ARM CortexM3内核的STM32F107最小片上系统，配合功能齐全的外设以及CC2530，实现多方面的功能。网关系统示意图如图1所示。

图1 无线传感网及网关系统示意图

1.1 传感网络节点组成

传感网络节点的无线收发模块采用TI公司的CC2530芯片，其集成了51单片机内核，基本电路图略——编者注。

在传感器方面，需要考虑多种不同用途的配置，包括楼宇监测传感器、水环境监测传感器以及电器控制传感器。本文使用6种传感器节点:第一种为楼宇监测传感器节点，定时采集4种传感信息，能对异常环境报警;第二种为电器控制传感器节点，主要实现对室内电器的智能远程控制;剩余4种均为水环境监测节点，分别在不同的水环境下使用。

1.1.1 楼宇监测传感器节点

楼宇监测的传感信息主要包括温度、烟雾、湿度、噪声。温度传感器选择DS18B20，是Maxim公司的一款数字温度传感器，只需要一个端口即可通信。电路无需外部元件，可用数据总线供电，也可外接VCC。工作电压为3.0～5.5 V，测量温度范围为-55～+125 ℃，在-10～+85 ℃范围内精度为±0.5 ℃。

楼宇中首先要防范的是火灾，使用烟雾传感器NIS05A来监测烟雾。这种传感器是低放射型的标准传感器，最大供电电压为24 V。由于阻抗高，NIS05A输出电流很小，需采用输入电流较小的运放，如LMC6042。

湿度传感器选择HS1101,该传感器为变容式相对湿度传感器，具有检测速度快、精度高、可靠性强、稳定性好和使用方便、体积小等特点，具有很好的线性输出，且湿度输出受温度影响极小。

声学测量要求传声器性能稳定、动态范围宽、频响平直，故噪声传感器选用AWA14423, 它是自由场型测试电容传声器, 动态范围为10~130 dB, 频率范围为0～20 kHz, 标称灵敏度为50 mV/Pa。传感数据全部为int类型，共16字节，此外传感器类型1字节，传感器ID 1字节，故有效载荷为18字节。

1.1.2 水环境监测传感器节点

为了实现对各种水资源进行分类监测，将水资源分为景观水、给水、再生水、污水，使用多种水传感器对水质进行监测。再生水需要测量的数据包括水量、水压、浊度、COD（化学需氧量）。景观水包括水温、溶解氧、叶绿素、COD。污水包括氨氮、浊度、PH、COD。给水需要测量的参数包括水量、水压、水温、余氯。数据为double类型，共32字节，再加上节点类型和传感器ID，有效载荷为34字节。

1.1.3 电器控制的传感器节点

除了能够监测环境信息，无线传感器节点还可以对电器进行控制，主要针对楼宇内办公室、实验室中的空调、照明灯、饮水机等设备。开关控制设备由继电器和配电箱改造而成，继电器是连接弱电和220 V市电的桥梁，通过单片机I/O口发出控制信令，实现弱电控制强电。

1.2网关系统设计

对于任何无线网络，一个稳定、高性能的网关，是必不可少的,CC2530的外设难以满足对数据处理、显示以及各种扩展网关应用的要求，而嵌入式设备具有便利灵活、性价比高、嵌入性强等特点。所以选择合适的嵌入式设备与无线中心节点（CC2530）结合，可以实现无线网络网关的优化设计。

网关系统选用 CortexM3 微处理器芯片为核心,搭建嵌入式平台最小系统。外围扩展电路包括 LCD 触摸屏、RJ45以太网接口、UART 串口以及其他外设。其中，LCD 触摸屏为校园传感信息的集中监控和智能控制提供人机界面；RJ45以太网卡电路为将 6LoWPAN 网络接入 Internet 提供硬件支持（连接服务器）；UART 串口用于协调器和嵌入式处理器通信，以及网关应用功能的数据交互。STM32F107最小片上系统略——编者注。

1.3 网关功能

校园传感网系统网关的软件设计分为前台和后台两部分。前台功能即实现在 LCD 触摸屏对本系统的集中监控，包括查看多种传感器节点的数据信息、检测传感器信息并在必要时报警、查看并控制家电的工作状态。在 Linux 嵌入式操作系统下，按照Qt GUI 开发应用程序来实现以上功能。后台功能主要是为来自 Internet 客户端的数据请求提供接口，本系统为客户端远程提供数据接口，如查看传感信息、出现异常向客户端报警，以及电器控制命令接口。本系统不仅实现了基于 C/S 结构的智能手机以及平板电脑客户端应用程序的访问接口，还实现了B/S结构的客户端浏览器的访问接口。

在程序设计中，使用3个类实现3种功能。Campus_Sensors 类用于传感器参数的实时显示，Campus _Control类用于家电的开关状态显示和控制，本系统可以支持 4 个电器设备，包括灯光、空调、摄像头和电脑。此外,还可以将楼宇内常见的RFID门禁系统加入进来，设计一个Lab_RFID 类负责管理门禁系统的人员信息。

2 数据格式与网络协议

为了使整个无线传感网系统有效可靠地通信，并且能够保障各种应用的时效性，本文设计了完善的通信格式和网络协议。

2.1 通信格式

2.1.1 无线传感网络通信格式

传感数据采集采用基于UDP和6LoWPAN/IPv6的传输层和路由层打包方案。802.15.4 MAC 层留下 81 字节来传输 IPv6 报文分组,在没有6LoWPAN适配层的情况下，在 802.15.4 上传输 IPv6 的效率会很低。因为从 81字节中扣除 IPv6 基本报头的40字节之后，仅剩下41个字节用来承载传输层的报文。在传输层使用 UDP 协议，还需要占用8个字节空间来存放 UDP 报头，那么最后只剩下33 字节用来传输真正的应用层数据，有效载荷传输效率非常低，为此必须在适配层中提供对冗余报头的压缩算法。本文采用有效的包头压缩 [6]来解决该问题,无线通信发送与接收的流程图如图2所示。

图2 无线节点发送与接收流程图

2.1.2 网关与服务器通信格式

网关与服务器的通信采用XML 格式。XML把数据从 HTML 分离，能够简化数据共享和数据传输，有利于与客户端通信。网关对不同传感器节点的数据加以组织，加上节点类型、ID和接收时间，最终形成XML语言描述示例如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>

<sensor>

<type>0</type> //传感节点类型，0代表再生水监测节点

<id>2</id> //传感节点 ID

<time>2014-6-1 02:59</time> //时间

<data> //监测数据

<mount>120.8</mount> //水量

<pressure>1000</pressure> //水压

<turbidity>0.02</turbidity> //浊度

<COD>0.01</COD> //COD

</data>

</sensor>

其中，第一行为 XML 注释信息，包含版本信息和编码方式信息。根元素<sensor>包括<type>、<id>、<time>和<data>四个子元素，数据部分<data>包括<mount>、<pressure>、<turbidity>和<COD>四部分数据。采用 XML编码方式，编码和解析比较方便，数据结构的可扩展性也很强，如果需要添加新的传感节点或新类型的传感节点，只需标明相关属性。

2.2 运行网络设计

2.2.1 问答式网络运行设计

问答式网络主要应用于室内电器智能控制。在实际的组网与运行中，所有可能入网的设备均在中心节点有地址备份。所谓问答式组网，即是网络通信全部由中心发起，通过单独与某子设备通信，发送数据包或接收子设备的数据包。与设备通信是由网关的控制部分——嵌入式系统通过串口发送命令进行的。比如远程访问1号设备的信息，中心节点接收到命令后向1号设备发送数据，要求其发送传感信息数据包，1号设备收到后向中心节点发送相应数据包，中心节点接收到后此次通信结束，再等待串口发来的命令进行下一次通信。

在这种网络运行方式中，同步并不是必须的，因为该网络为星形结构，所有通信过程都是由中心节点发起的。可以设定中心节点发送两种命令帧：一种用来向其他设备询问数据，如传感器测量信息等；另一种用来发送命令控制电器。

2.2.2 时隙分配式网络运行设计

时隙分配式网络适用于水环境传感网和楼宇检测传感网。超帧结构是IEEE 802.15.4标准的一大特色。中心节点广播发起通信，在数据包有效载荷里，为每个子设备分配其占有的时隙。比如2号设备在接收数据包里读取接收有效载荷数组的第2个数，就能知道在哪个时隙发送数据。设定起始时隙由中心节点发送信标帧占据；剩余5个时隙由信标帧分配给其他设备。0号设备为中心节点，其余5个设备编号为1～5。图3显示的是时间轴上各设备占据信道的顺序。

图3 自定义超帧结构

在这种情况下，可以根据实际情况设定超帧的时隙个数。在整个超帧结构中，第一个时隙仍然是由中心节点发送信标帧占据，在信标帧后其他设备在自己的时隙中发送数据包。

2.2.3 簇状网设计

在水质传感网中，由于节点布置距离可能较远，单跳通信并不适用，因此采用簇状网设计，如图4所示。系统中每一个ZigBee网络都是由一个中心（即协调器）发起建立的。

图4 簇形网络及网关系统示意图

建网过程为：首先由充当协调器的中心节点建立网络，网络层请求MAC层对规定的信道，或由物理层默认的信道进行能量检测扫描以测定干扰，扫描结果将按递增顺序排序，超过允许能量水平的新到编号被抛弃，剩余信道选取能量水平最低的作为建网信道，如多个信道满足要求，则选择逻辑编号最小的信道。

协调器建网后设定PAN ID，同时创建一个网络邻接表，为每个路由器分配一个16位地址，并将信息添加到该网络邻接表中，网络节点的添加就完成了。

当路由器下层的家居设备想加入该网络时，将自身信息发送给路由器，再由路由器将此信息转发给网络协调器，网络协调器根据不同路由器转发来的信息进行分组，为每个设备分配一个16位的网内地址，再将此设备添加到网络邻接表中，标志终端设备被添加到此网络中。这样簇状网建立，通信过程可以是分级轮询或分级时隙分配。

另外，在楼宇传感网中，由于节点布置距离较远，且基本沿直线分布，因此需要改进簇状网络设计。此时全部节点都要选择使用全功能设备，即具备路由功能，采用AODV协议[7]作为路由协议，可有效实现多跳通信。

3 客户端设计

客户端硬件设计示意图略——编者注。软件分为 PC 端和移动客户端两部分，其中 PC 端通过浏览器访问 Web 服务器即可，这里不再赘述。

移动客户端通过无线网络，从 Web 服务器获取水质监控信息，包括用户登录、监控数据获取及用户注销3部分，其实现方式与监控数据的获取完全一致，即通过发送 HTTP 数据包，将请求内容写入数据包中，发送至服务器端进行实现。

这里，将模拟采集到的水质监控数据形成的XML 数据文件放在服务器端，以供客户端软件通过网络进行访问。程序示意图略——编者注。

3.1 Android系统开发

对于Android 客户端应用程序，按需求将应用功能分成传感器监测功能和与电器控制功能。SenActivity实现传感器显示界面，UI数据由后台服务 BuildingSenService 提供；AppCtrlActivity 是用户与电器控制设备的交互界面，电器开关状态的显示数据也由后台服务 BuildingSenService 提供。

3.2 iOS系统开发

对于iOS客户端的实现，设定传感器数据的请求以及对电器的控制在初始页面 RootViewController 类进行实现，即程序启动时向网络端发起数据请求。设计采用异步请求“sendAsyRequest：queue：completeHandler：”方法，对返回结果的处理写在“connection：didReceiveData：”方法和“connection：didFailWithError：”方法中，分别对应请求成功与请求失败两种情况。

结语

本文设计了一种面向智慧校园和绿色校园的无线传感网络及其应用。基于6LoWPAN协议栈设计了合理的网络协议，以服务器存储和客户端随时接入充分发挥监测作用，实现智能应用。