本發明涉及一種基于無線傳感器網絡的環境監測系統，具體涉及基于6LoWPAN的樓宇環境監測系統。

背景技術：

在信息技術迅猛發展的當今社會，自動檢測技術與信息傳輸相結合的智能樓宇監測系統越來越多地運用到人們的日常生活中。目前，絕大多數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。該項目的研究內容利用無線傳感器網絡，能夠有效降低建設及維護成本。

傳統無線通信方式如WiFi、藍牙等在組網及功耗管理方面存在不足。其網絡節點數量以及傳輸距離有限無法進行大規模部署，且功耗較高使用壽命短。無線傳感器網絡具有低功耗、自組網、成本低、支持多跳傳輸、網絡容量大等特點。而樓宇空間面積大，無線傳感器網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絡解決方案存在缺陷。其與IP網絡存在異構，無法實現端到端的訪問，導致網絡穩定性差。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，導致其信息傳輸穩定性降低。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供基于6LoWPAN的樓宇環境監測系統，通過在樓宇內各個角落放置傳感器監測節點，將監測的環境信息通過6LoWPAN無線通信方式傳輸到監測中心，監測中心可以得到各個監測點的環境要素信息，便于監控樓宇內是否存在安全隱患，節省人力資源，提高監測水平。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

基于6LoWPAN的樓宇環境監測系統，包括傳感器節點、邊界路由節點以及上位機監測中心三部分；

各傳感器節點布置在每層樓，實時監測當前環境中的溫度、濕度以及煙霧信息；

所述的傳感器節點根據樓宇層數以及每層面積大小部署相應數量的節點；每個節點采集一組數據，每組數據包括溫度、濕度、煙霧；由于各環境要素變化緩慢，傳感器節點采集時間設置為每3分鐘采集1次，并通過傳感器節點內部的微控制器進行A/D轉換，最后將數據發送至邊界路由節點；

邊界路由節點與上位機監測中心的監測主機通過以太網通信，通過將傳感器節點發送的6LoWPAN數據包轉換成IPv4數據包，發送至監測主機，從而實現傳感器節點與上位機監測中心的交互與遠程訪問；

所述的傳感器節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、煙霧傳感器與系統調試接口；

所述的邊界路由節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、系統調試接口、時鐘模塊與以太網通信接口；

各傳感器節點構成傳感器網絡，所述的傳感器網絡以6LoWPAN作為組網協議。

所述的傳感器節點的微控制器為TM4C123GXL。

所述的邊界路由節點的微控制器為TM4C1294XL。

本發明的有益效果：

本發明涉及的基于6LoWPAN的樓宇環境監測系統，功能完整并能夠穩定工作；能夠有效減少節點通信頻率，降低射頻模塊的工作時間，從而起到降低節點功耗的作用，具有組網方便、易維護、成本低、運行穩定以及遠程監測等優點，能夠有效實現對樓宇環境的監測，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絡的解決方案，利用其IPv6特性能夠輕松實現傳感器網絡與Internet網絡之間的通信；便于系統維護，同時其支持Sub-1GHz通信，具有較強的穿透力，提高系統通信的穩定性。

附圖說明

圖1為本發明系統結構框圖。

圖2為本發明傳感器節點硬件結構圖。

圖3為本發明邊界路由節點硬件組成圖。

圖4為本發明上位機原理框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。

如圖1所示，根據樓宇層數以及每層面積大小部署相應數量的傳感器節點，每個節點采集一組數據，每組數據包括溫度、濕度、煙霧等；由于各環境要素變化緩慢，因此傳感器節點采集時間設置為每3分鐘采集1次，并將數據發布至邊界路由節點，經以太網到達MQTT服務器，服務器根據上位機(MQTT客戶端)訂閱的消息，將數據推送到上位機；

邊界路由節點作為傳感器網絡與用戶之間數據傳輸的橋梁，通過將傳感器節點發送的IPV6數據包轉換成IPv4數據包，經以太網發送至MQTT服務器；上位機監測中心用于向MQTT服務器訂閱消息來獲得傳感器節點數據并顯示，針對異常數據發出報警信號，并保存采集的數據。

如圖2所示，傳感器節點使用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點的工作方式并且匹配通信地址。當傳感器節點接收到邊界節點發送的指令，MCU通過CC1120射頻模塊將傳感器節點收集的數據發布到邊界節點；

如圖3所示，邊界路由節點作為數據采集傳感器網絡與外界網絡數據交換的橋梁，在存儲容量以及計算能力方面要求更高。系統選用TI公司的TM4C1294XL微控制器作為主控單元，與TM4C123GXL相比，其支持以太網通信、擁有更大的Flash以及RAM，能夠存儲更多的節點信息以及更強大的運算能力。其硬件組成與傳感器節點相比增加了時鐘模塊和以太網通信接口，通過時鐘模塊來確保整個數據采集系統內所有節點的時間同步，而以太網接口則實現傳感器網絡與上位機之間的數據交互。

系統的傳感器網絡以6LoWPAN作為組網協議，能夠較為容易的實現對傳感器數據的上傳，降低開發難度，減少系統復雜度。傳感器節點選用MQTT作為應用層傳輸協議，該協議以發布/訂閱為模型，傳感器節點通過定時觸發的方式采集傳感器數據并發送至MQTT代理服務器。由代理服務器再將數據推送至用戶，無需用戶直接訪問傳感器網絡，從而減少了傳感器網絡的通信負擔。

本發明的工作原理：

傳感器節點采用模塊化設計，整個流程分為系統初始化，傳感器數據采集，處理以及發布數據；初始化程序包括外設初始化以及網絡初始化，同時啟動定時器，通過定時器觸發傳感器節點采集各傳感器的數據，并進行A/D轉換后將數據打包通過MQTT協議發送至代理服務器進行數據處理；傳感器節點首先通過上位機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，系統中的主題信息即為傳感器節點編號。注冊完成后將傳感器數據發送至代理服務器發布數據，然后斷開連接完成數據發送。

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

如圖4所示：上位機是用戶監測溫室環境的主要工具，采用三層架構設計，即業務邏輯層，交互層以及存儲層。其中業務邏輯層用以處理數據，負責通信、計算以及存儲。交互層用于系統與用戶之間的交互。存儲層選用ACCESS數據庫實現數據的存儲，以便歷史查詢以及數據分析。具體組成框圖如圖4所示。由于傳感器網絡采用MQTT作為應用層傳輸協議，上位機需要通過代理服務器實現用戶與傳感器網絡之間的數據交互。系統選用開源消息代理軟件Mosquitto作為MQTT的代理服務器。上位機監測系統啟動后根據傳感器節點編號向代理服務器發送訂閱信息，從而完成訂閱功能，當代理服務器接收到傳感器節點發布的數據后再將數據推送至上位機監測系統。