基于ZigBee和WiFi相结合的楼宇监测系统

第２８卷第５期２００８年ｌＯ月西安工业大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ’ａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶ０１．２８Ｎｏ．５Ｏｃｔ．２００８文章编号：１６７３—９９６５（２００８）０５—４６０—０６基于ＺｉｇＢｅｅ和ＷｉＦｉ相结合的楼宇监测系统。

王建国１’２，郭宝亿１（１．西安工业大学计算机科学与工程学院。

西安７１００３２；２．科罗拉多矿业学院工程系，科罗拉多ＣＯ８０４０１）摘要：ＺｉｇＢｅｅ和ＷｉＦｉ各自具有明显的特点，并且许多特性具有互补性，将二者相结合具有很好的应用前景．提出了一种基于ＺｉｇＢｅｅ技术和ＷｉＦｉ技术相结合的楼宇监测体系结构；研究了解决传感数据采集、坐标系统的建立、机器人的控制等关键技术的方法；实现了一种简单、易于实现、高效的基于能量均衡的分簇多跳路由算法，能够较好的提高传感器网络的生存期；实现了监测系统，并得到了实际应用．关键词：ＺｉｇＢｅｅ；ＷｉＦｉ；楼宇监测；能量均衡中图号：ＴＰ３９３文献标志码：Ａ楼宇监测是楼宇智能化的重要组成部分，主要是针对楼宇出入口、内部过道以及一些重要场所进行监测，特别是在无人值守的情况下．能够自动监测人员进入楼宇和重要场所情况．在必要情况下，能够采集进入这些场所人员的图像、声音等信息，自动报警．楼宇监测系统要求无人值守、网络化、便于操作和管理、系统成本低廉、能够自动报警并且自动收集到相关的信息．现有的监测系统多数通过有线方式进行数据传输，成本普遍比较高，通常高达几万元甚至几十万元，且维护困难，扩展性差．ＺｉｇＢｅｅ技术（也称之为８０２．１５．４标准）是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、高容量的无线传感网络技术，主要适合于承载数据流量较小的业务［１≈］．相对于现有的各种无线通信技术，ＺｉｇＢｅｅ技术是最低功耗和成本的技术．而与ＺｉｇＢｅｅ技术相反，ＷｉＦｉ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＦｉｄｅｌｉｔｙ，也称之为８０２．１１标准）是一种远距离、复杂度较高、高功耗、高数据速率（达５４Ｍｂｐｓ）、高成本的无线网络技术．目前在无线局域网中得到了较为广泛的应用，十分便于接人Ｉｎｔｅｒｎｅｔ．可见基于ＺｉｇＢｅｅ技术的无线传感器网络具有可快速部署、隐蔽性强、成本低、无人值守等优点［４］，十分适合于楼宇监测的应用．但是，由于Ｚｉｇ－Ｂｅｅ技术是一种低数据速率的无线传输技术，它一般传输的数据量较小，而在楼宇监测系统中，除了监测是否有人员进人楼宇和重要场所之外，还需要采集和传输数据量较大的图像、声音等信息．这对于ＺｉｇＢｅｅ技术是个难点，很难完成，但是对于ＷｉＦｉ则易如反掌．因此，为了满足楼宇监测系统的具体需要，我们可以将ＺｉｇＢｅｅ技术和ＷｉＦｉ技术相结合，构建一个技术Ｚｉｇｇｅｅ和ＷｉＦｉ相结合的楼宇监测系统．利用ＺｉｇＢｅｅ技术组建无线传感器监测网络，监测和报警人员进人情况，传输小数据量的监测活动信息；利用ＷｉＦｉ技术组建无线监测局域网络，根据无线传感器监测网络监测的情况采集相关的图像或声音信息，传输大数据量的监测活动信息．１监测系统体系结构根据上述对楼宇监测系统的要求以及ＺｉｇＢｅｅ技术和ＷｉＦｉ技术的特点分析，提出了一种基于ＺｉｇＢｅｅ技术和ＷｉＦｉ技术相结合的楼宇监测系统，＊收稿日期：２００８—０６—１０基金资助：国家基金委留学基金（留金出［：２００６１３０８５）作者简介：王建国（１９６９一），男，西安工业大学副教授，主要研究方向为传感器网络、主动网络、分布式计算．Ｅ－ｍａｉｌ．．ｗｉｇ＿＿ｘｉｔ＠１２６．ｃｏｎｌ．第５期王建国等：基于ＺｉｇＢｅｅ和ＷｉＦｉ相结合的楼字监测系统４６１其体系结构如图ｌ所示．楼宇某层的网络布局如图２所示，其中０（０，０）表示坐标原点．缈堂警限ＩＥＥＥ回匮圜圈；譬鼍浚一鼍≤橱麓鬻∥１匝ｌ燮！！塑！！堑！！Ｉ…Ｉ型！堕坚塑！！！ｌ图１楼宇监测体系结构Ｆｉｇ．１Ｔｈｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｏｆａｃｔｉｖｉｔｙｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅｆｏｒｂｕｉｌｄｉｎｇ本系统由４个部分组成：①基于ＺｉｇＢｅｅ技术的无线传感器网络子系统；②基于ＷｉＦｉ技术的机器人子系统；③基于ＷｉＦｉ技术的摄像监视子系统；④监控中心子系统．其中，基于ＺｉｇＢｅｅ技术的无线传感器网络子系统由若干个红外传感检测器（ＩＲ）、音频传感检测器、汇集节点Ｍｏｔｅ和网关Ｔｍｏｔｅ组成．ＩＲ被安装到楼宇进出口和重要场所，每临近的５个检测器汇集到一个汇集节点Ｍｏｔｅ．汇集节点采用由美国克尔斯博科技（ＣｒｏｓｓＢｏｗ）公司开发和生产的无线传感设备Ｍｏｔｅ，该节点由处理器和ＲＦ芯片构成．该子系统主要负责监视人员进入楼宇和重要场所的活动情况，当有人员进入ＩＲ的监测范闹时，ＩＲ便将监测数据发送给与它相连接的Ｍｏｔｅ，然后通过网关Ｔｍｏｔｅ上报给监控子系统．在监控子系统中可以将这些监测数据存人数据库，同时对一些重要场所设置告警规则，当规测满足时，触发告警．图２楼宇栗层网络布局图Ｆｉｇ．２Ｎｅｔｗｏｒｋｌａｙｏｕｔｏｆｓｏｍｅｂｕｉｌｄｉｎｇｌａｙｅｒ基于ＷｉＦｉ技术的机器人子系统由若干个机通过无线网络接入节点发送到监控中心进行显示器人和无线网络接人节点（无线路由器）组成．该子和存档．本系统中的Ｗｅｂ照相机采用Ｄ－Ｌｉｎｋ公司系统主要负责对重要场所的侵入活动进行跟踪．当生产的ＤＣＳ－Ｇ９００照相机．监控中心子系统触发告警后，通过ＷｉＦｉ通信技术监控中心子系统由服务器、ＰＣ、笔记本电脑等给机器人发送命令，指挥机器人到指定的位置进行组成．该子系统主要负责对整个监测系统进行调跟踪，采集相关的图像和音频信息，并将这些信息度、控制、数据处理和存储．监控中心子系统中的设反馈到监控中心显示／播放和存档．本系统中的机备可以通过有线，也可以通过ＷｉＦｉ无线接入网器人采用加拿大Ｄｒ．Ｒｏｂｏｔ公司设计和开发的智投能无线机器人Ｘ８０系列ＷｉＲｏｂｏｔ（该机器人配备有超声波传感器３个、红外距离传感器７个、人体传感监测器２个、摄像头１个、音频播放器１个）．无线网络接入节点采用Ｄ—Ｉ．ｉｎｋ公司生产的无线路由器．基于ＷｉＦｉ技术的摄像监视子系统由若干个Ｗｅｂ照相机和无线网络接入节点（无线路由器）组成．Ｗｅｂ照相机被安装到楼宇进出口和重要场所，能够对监视范围内的活动情况进行拍照，并将照片２关键技术基于ＺｉｇＢｅｅ和ＷｉＦｉ相结合的楼宇监测系统中涉及到的关键技术主要有传感数据的采集、传感器节点能量的节省、坐标系统的建立以及机器人的控制．２．１传感数据的采集传感数据采集是本系统中最为基础的功能，是４６２西安丁业大学学报第２８卷系统处理的数据来源和控制基础．本系统中采用的汇集传感器节点是由克尔斯博科技（ＣｒｏｓｓＢｏｗ）公司开发和生产的无线传感设备Ｍｏｔｅ，该节点是在ＴｉｎｙＯＳ支持之下进行数据采集和通信工作．Ｔｉｎ－ｙＯＳ是美国加州大学伯克利分校专门针对传感器网络特点而设计的操作系统．ＴｉｎｙＯＳ使用高效的基于事件的执行方式，包含经过特殊设计的组建模型，成为高效率的模块化和易于构造的组件型应用软件．在ＴｉｎｙＯＳ中，通过ｎｅｓＣ语言表达组件以及组件之间的事件／命令接口．本系统中的传感数据的采集和传输也是在ＴｉｎｙＯＳ基础之上进行设计和开发的．利用ｎｅｓＣ应用程序框架和各种组件开发了数据采集和数据传输功能模块，并将采集的数据在监控中心实时显示和入库存储．为了便于数据的采集和识别，在监控中心的服务器中预先给每个传感器ＩＲ分配一个惟一的标识（ＩＤ），通过该ＩＤ指示传感器的位置．如图２所示的传感器布局中，共布局了４５个ＩＲ传感器，根据每临近的５个ＩＲ汇集为的原则，分别分配ＩＤ号为１１，１２．１３，１４，１５，２１，２２，……，９１，９２，９３，９４，９５．为了尽量节省传感器的能量，传感器ＩＲ采用休眠工作机制，即当没有数据需要发送时，传感器ＩＲ处于休眠状态，当需要发送数据时，ＩＲ被唤醒并传送数据．ＩＲ检测和传送数据采用基于事件驱动方式，传感器ＩＲ检测到人员活动时，将它的ＩＤ通过汇集节点Ｍｏｔｅ和网关Ｔｍｏｔｅ传送到监控中心的数据采集模块．数据采集模块接收到该ＩＤ后，提取当前的系统时间，然后将ＩＤ和当前的系统时间实时显示并存人数据库．在一个楼宇中可能有一些重要区域（或称之为禁区），当检测到某个禁区出现人员活动时，检测中心应当自动发出告警信息．为此，首先需要在该禁区安装若干个传感器ＩＲ，如图２所示禁区３１６中的５个ＩＲ．然后在监控中心的服务器中预先将该禁区与该禁区中安装的所有传感器ＩＲ的ＩＤ进行关联，并设置告警条件．当处于该禁区所有ＩＲ中的任何一个检测到人员活动时，立即将该ＩＤ以及当前的系统时间实时显示并存人数据库，同时通过声音、颜色发布告警．２．２基于能量均衡的分簇多跳路由当楼宇中多层楼道的传感器节点组成一个规模较大的传感器网络时，传感数据往往需要经过多个中间节点（簇头）的转发才能到达网关，再通过网关发送到监控中心．由于传感器中间节点的能量有限［５］，尽量降低传感器中间节点的能量消耗．提高网络的生存周期是无线传感器网络必须重点考虑和解决的问题［６］．文献［７］将传感器网络的能量消耗分为有用能耗和无用能耗．有用能耗包括传数据输／接收、数据处理、数据查询等；无用能耗主要有空闲侦听、数据重传、额外开销以及产生和处理控制包．高效的路由算法能够较好的降低数据传输／接收能量消耗［８］．系统一个方面通过休眠机制［引，使传感器节点在无数据传输时处于休眠来降低节点的能量消耗．同时由于充当簇头节点的能量消耗远远高于其他的节点，为了提高整个网络的整体生存期，提出了～种基于能量均衡的分簇多跳路由算法．算法的基本思想是将若干个节点划分为一个簇，定时评估簇内各个节点的剩余能量．根据能量评估结果，使剩余能量最多的节点充当簇头，即定时动态产生簇头，使簇内各个节点轮值充当簇头，从而避免长期让某个节点充当簇头将能量耗尽后无法工作的现象发生．该算法相对于其他的相关算法具有简单、易于实现、高效的特点．２．３坐标系统构建本系统需要建立两个坐标系统，一个是传感器布局实际空间坐标系统，该坐标系统主要用于控制机器人的移动以及指示告警位置．另一个坐标系统是屏幕图形显示坐标系统，主要用于屏幕以图形方式显示传感器布局和告警点．在传感器布局实际空间坐标系统中需要标识的对象主要包括乏个方面：传感器的位置、重要场所的位置以及特殊标识物的位置．如前所述，由于预先将每个传感器编制了惟一的ＩＤ，于是可以根据坐标原点（）（Ｏ，Ｏ）预先测量确定传感器ＩＲ的坐标位置。

然后建立传感器ＩＤ与传感器位置信息的配置表．因此，当某个传感器报警时，利用该传感器的ＩＤ通过查表可以确定报警点的位置．重要场所（禁区）的位置信息原则上可以通过安装在该场所中传感器的ＩＤ来指示，但是由于需要控制机器人对该场所进行跟踪监视，实际上是对某区域范围中的可疑人员进行跟踪监视．因此严格的说需要的是该场所的位置信息（确切的说是进入该场所人口的位置信息），而不是场所中传感器的位置信息．所以，可以将一些重要场所的位置信息第５期王建国等：基于ＺｉｇＢｅｅ和ＷｉＦｉ相结合的楼宇监测系统４６３预先在坐标系统中标出，并且建立场所中所有传感器与该场所入口的位置信息对应表．当该场所中任何一个传感器报警时，通过查找对应表，给出该场所入口的位置信息．如图２所示，当确定坐标原点ｏ（Ｏ，Ｏ）的位置后，通过测量，可以预先获得一些重要场所的坐标信息．如：３０２Ａ的坐标信息是（一１８２，６９７）；３０２的是（－－９３９，１３０２）；３２９的是（２３９３，１６０６）；３３０的是（２１２１，１３０３）；３１６的是（１５４５，１６９８）．坐标信息的单位是厘米，因此根据该坐标系统控制机器人的移动，精确度可以达到１厘米．特殊标识物是用于控制机器人的一些辅助性标识．由于ＷｉＲｏｂｏｔＸ８０自身没有位置定位装置，但是在控制机器人移动的过程中，需要及时掌握机器人的当前位置，因此通过坐标系统和特殊标识物来解决这个问题．如图２所示墙壁１和墙壁２可用作特殊标识物，当控制机器人进入３２０，３３０，３１６等房间时，需要利用墙壁１作为标识，指示控制机器人转向．当控制机器人进入３２９房间时，需要利用墙壁１和墙壁２作为标识．根据图２中的位置，墙壁１和墙壁２的位置信息是：墙壁１（＊＊＊，１６６７）．由于利用墙壁１控制机器人的转动，只是关心它与原点的ｙ值，而不关心它的ｘ值．墙壁２（２３６３，＊＊＊），同理，只是关心它与原点的Ｘ值，而不关心它的ｙ值．例如，当需要控制机器人进入３１６房间，程序的控制规程是根据３１６的坐标信息（１５４５，１６９８）驱动机器人从原点ｏ（０，Ｏ）出发，一直前行，直至到达墙壁１（通过机器人的红外传感可以检测到），然后控制机器人９０。