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标题 基于ZigBee协议的远程监控系统设计
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摘要摘要：ZigBee协议的无线传感技术，是指将网络汇聚的节点同互联网以及无线移动网络相连接，构成无线传感网络，运行时通过相关的软件设定控制ZigBee的网络节点，从而将远程数据传输给总服务器，使远程监控更具灵活性，更便于拆解移动。介绍了ZigBee技术，探讨了系统工作原理和结构设计，重点分析了基于ZigBee协议物联网构建的远程监控系统硬件及软件设计。建立了基于ZigBee协议物联网的远程监控系统平台。该平台通过总服务器对各个独立的监控服务器数据信息进行远程监控和管理。
关键词关键词：ZigBee；远程监控；无线网络；数据安全
DOIDOI：10.11907/rjdk.151786
中图分类号：TP319
文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2015）011009502
基金项目基金项目：海南省高等学校科学研究项目（Hnky201543）
作者简介作者简介：杜岩（1984-），女，江苏徐州人，琼州学院计算机工程学院讲师，研究方向为计算机网络。
0引言
物联网络技术的发展不断加快，应用领域也越来越广。基于ZigBee协议物联网构建的远程监控系统平台，主要解决数据信息的远程获取以及有线连接带来的不便，使远程监控系统更具灵活性、便捷性，能够全方位、多测点地进行检测。基于ZigBee协议物联网构建的远程监控系统，在硬件上主要采用了物联网技术和无线传感技术，以及基于ZigBee的传感器节点、执行节点和视频采集节点；而软件上则采用了与大系统理论相关的过程管理方式和控制算法，不仅可以模拟构建实际的现场环境和相关过程，还能通过远程监控系统平台对局部环境进行动态检测和智能控制，并实时在线决策[1]。相比之下，基于ZigBee协议物联网构建的远程监控系统在室内物品实时监控等安全性监测中的应用更具研究价值。本文以基于ZigBee协议物联网构建的远程监控系统在室内物品实时监控中的应用为例，对该系统的工作原理、系统结构、系统软件和硬件设计进行阐述，并通过相关检测方法测试运行过程中系统数据传输的丢包率，对其安全性进行判定。
1ZigBee技术
随着信息技术的高速发展，物联网成为继互联网后的一种新型产业，近年来迅速影响到社会各领域并逐步成为世界经济和科技的战略制高点之一。无线射频技术、无线宽带技术、无线通信技术、无线传感技术的发展以及物联网时代的到来，基于ZigBee技术的物联网架构远程监控系统逐步取代传统的视频监控。ZigBee技术是组成无线传感器网络技术的核心部分之一，是一种近距离的双向无线通信技术，具有成本低、能耗小、智能化、数据传输率小以及操作便捷等优点。基于ZigBee协议物联网构建的远程监控系统平台可以实现对远程现场的实时监控。例如：在居民区、学校、医院等地的室内物品实时监控中，在室内选择合适的位置安装无线网络监控设备，从而对室内物品的安全性进行实时远程监控，不仅可以方便监管人员对室内物品存放的规范性和安全性进行监控，而且还可以避免人为因素对物品的破坏，杜绝违法犯罪行为[2]。ZigBee技术在远程监控中的应用使得远程监控不再只针对局部环境，而是将局部环境之间的信息传递系统更好地衔接起来，促使对远程环境的监控达到最优状态。
2系统工作原理和结构设计
随着人们生活水平的提高，对居住环境、安全问题更加注重，成本低廉，适用于普通居民区、学校、医院等单位的安防系统可以对物品实时监控，确保人们生产生活安全。ZigBee协议栈构建在IEEE 802.15.4标准基础之上，IEEE 802.15.4标准定义了物理层和MAC层。ZigBee联盟定义了网络层、应用层和安全服务层。ZigBee规范确定了3种设备：ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。每个网络都必须包括一台ZigBee协调器。在组网方式上，ZigBee支持星形结构、树形结构和网状结构3种拓扑形式。基于ZigBee协议物联网构建的远程监控系统平台，通过一台远程终端控制设备如手机、电脑等，对每个独立的室内环境安保系统进行控制，并通过网络的形式将数据信息如图片、视频等传输到相应的远程监控端，如图1所示。
3硬件设计
基于ZigBee协议物联网构建的远程监控系统硬件设计主要包括3个部分：传感控制模块、通讯模块、嵌入式网关和视频节点设计。
3.1传感控制模块设计
系统的传感模块硬件主要由两部分组成，即传感器和继电器，二者通过ZigBee节点搭载形成传感控制节点。传感模块中的传感器又包括温湿度传感器和光照传感器，其中温湿度传感器（SHT11，Sensirion 公司）是一种精确度较高的两线串口数字传感器，温度值和湿度值的输出分辨率分别为12位和14位，传感器运行过程中的电源电压为2.4～5.5V，电流为550μA。在设计节点处数据采集时，可设定为定时采集，在完成温湿度数据的采集后使传感器的电源处于停止供电状态，减少能量损耗。光照传感器（西门子公司）通过光敏探头对温室内光照数据信息进行采集。
3.2通讯模块设计
通信模块的设计核心是芯片的选择。本设计采用的芯片型号为CC2530F256，可应用于较为复杂的协议栈。CC2520位于射频设备的前端，无线收发能力较强；选用QFN40进行封装，由于芯片面积与引脚数较小，故而既可增强性能又可降低芯片功耗。整个通讯系统采用直流电供电，电压为5V，然后由电源芯片转换为3.3V，为CC2530供电。
3.3嵌入式网关和视频节点设计
基于PDA的嵌入式网关采用CortexA8架构OMAP3530处理器，包括3个串口、4个USB接口，以及网口和音频口，Flash为256MRAM，256M，具有集成图形引擎和触摸屏。视频节点采用无线IP摄像头，视频压缩格式MJPEG，支持802.11 b/g、水平270°和上下120°范围的旋转；内有麦克风，可以进行语言信息采集；配置红外灯，可以在夜间5m视野范围内进行视频采集。除此之外，还要保证视频节点采集数据的参数等相关设置能够满足多种网页和视频播放器浏览。
4软件设计
基于ZigBee协议物联网构建的远程监控系统软件设计包括协调器软件设计、路由器软件设计、监控软件设计等。
4.1协调器及路由器软件设计
本系统软件编程使用的是IAR EmbeddedWorkbench For MCS8051 7.51A，协议栈为Z-stack2.3.1-1.4.0（TI公司），软件设计流程如图2所示。协调器开始运作后，将识别消息传达至SEV（中间服务），获得应答信号后进入循环待机状态，待上位机发出操作指令后进入信息处理状态，处理完成，待收到断开指令后断开。路由器的运行过程除了缺少SEV（中间服务）通信流程，其它与协调器类似。
4.2上位机监控软件设计
上位机监控软件设计基于大系统理论，综合考量影响室内物品安全的各个因素，并将社会管理因素融入设计中，同时将具有科学基础的安全相关参数植入客户端，使控制算法尽可能得到优化，增强执行机构的反应速度，提高灵敏度。监控平台选用VisualStudio2005 集成开发环境与SQL 数据库管理软件编程，远程访问系统基于Browser/Server，远程服务器为总Server，现场控制平台为子Server，通过网络将远程终端同总Server相连，通过Browser浏览器实现远程监控，使远程监控系统具备室内环境因子检测、远程视频监控、数据库管理、决策模块等多种功能。
5系统应用
在北京、天津等地的大型超市储物区安装并应用本系统，根据实际应用情况调整安装节点和传感器类型，用户可以通过手机、电脑上的网络浏览器随时随地浏览和分析储存物品的安全情况，并清楚地了解各个时段的人员及物品流动情况，掌握第一手资料。还可以根据反馈的监控信息，采取相应的决策，对室内物品的安全储存进行更加精准化管理。除此之外，系统的网络运行稳定性也较高。测试结果显示，其在数据传输过程中的通讯丢包率不超过4.9%，室内存储物品的安全性得到了较高的保证。经分析，造成通讯丢包的主要原因是在远距离传输中无线通信受到较强的外界干扰而导致数据丢失，故在设计中要注意节点间的距离，在远距离传输时可以适当增加数据采集频次，利用数据融合技术，尽可能降低丢包率。
参考文献参考文献：
[1]刘东枭，孙艳华，孙凯.电梯远程监控系统平台设计研究[J].中国机械，2015（5）：122125.
[2]饶达琴.基于ZigBee与GPRS融合组网技术的远程监控系统[D].杭州：杭州电子科技大学，2012.
[3]王爱军，王爱民.海上生产设施远程监控和管理系统的建设探讨[J].中国安全生产科学技术，2012（9）：6872.
责任编辑（责任编辑：杜能钢）
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更新时间：2025/3/15 10:42:44