1 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線網(wǎng)絡(luò)，由于其快速展開、抗毀性強(qiáng)、監(jiān)測精度高、覆蓋區(qū)域大等特點(diǎn)而產(chǎn)生了廣闊的應(yīng)用前景，由此成為當(dāng)前信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)、采集的信息需通過一個友好的人機(jī)界面提供給觀測者。本文介紹基于LabVIEW平臺設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺。
LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于編譯型圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺。其集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，其強(qiáng)大的函數(shù)庫使編程過程生動有趣，開發(fā)周期縮短，且其圖形化的前面板為使用者提供了直觀清晰的人機(jī)界面。
本文在PC機(jī)上利用LabVIEW設(shè)計實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺。觀測者通過操作此監(jiān)測平臺，可以方便的觀察無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)；并可進(jìn)行對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作，主要包括檢測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)、獲取網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)清晰的觀察無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)信息。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹
2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組成框圖
其中通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測區(qū)域，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其它節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行傳輸，經(jīng)過多跳后達(dá)到匯聚節(jié)點(diǎn)，由匯聚節(jié)點(diǎn)傳送至管理節(jié)點(diǎn)。本文中采用PC機(jī)作為管理節(jié)點(diǎn)，使用PC機(jī)上的LabVIEW平臺編程設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺實(shí)現(xiàn)觀測者對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的觀察與操作。
2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件介紹
本文設(shè)計了一個精簡的星型結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)由三個無線傳感器節(jié)點(diǎn)、一個匯聚節(jié)點(diǎn)和一個管理節(jié)點(diǎn)組成。其中傳感器節(jié)點(diǎn)分布于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和通信等工作；匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組建并通過串口方式與PC機(jī)進(jìn)行通訊，將各節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息匯總到PC機(jī)上，在本文中，PC機(jī)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理節(jié)點(diǎn)使用。觀測者可通過PC機(jī)上的可視界面對無線傳感器星型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件結(jié)構(gòu)
2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議介紹
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的價值就在于它的低成本和大的容量配置。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的某些特性必須實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，以得到更廣發(fā)的應(yīng)用。目前標(biāo)準(zhǔn)化工作的最主要成果是IEEE 802.15.4低速無線個域網(wǎng)協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟是該協(xié)議主要的市場推廣和兼容性認(rèn)證組織。
本文采用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議即包括了IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[9]和ZigBee協(xié)議棧兩個部分。其中，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧架構(gòu)是在OSI（Open Systems IntercONnection）七層模型的基礎(chǔ)上根據(jù)市場和應(yīng)用的實(shí)際需要定義的。IEEE 802.15.4協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)的物理層和媒體接入控制層，ZigBee協(xié)議棧在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中應(yīng)用層又包括應(yīng)用支持子層。
3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測平臺設(shè)計
3.1 功能描述
本監(jiān)測平臺通過串口與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊，通過面板上的指示燈和串口接收數(shù)據(jù)來顯示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。觀測者可通過操作面板上的按鈕實(shí)現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作并可獲取網(wǎng)絡(luò)采集的傳感器數(shù)據(jù)。
3.2 面板設(shè)計
本監(jiān)測平臺的虛擬面板設(shè)計如圖3所示：
圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺面板
儀器面板主要由以下幾個模塊組成：
1．串口配置按鈕模塊：在此模塊中使用LabVIEW中的VISA Configure Serial Port模塊，在面板上有三個按鈕實(shí)現(xiàn)對PC機(jī)串口的配置。
2．操作按鈕模塊：此模塊八個按鈕、一個Ring控件、一個Numeric控件及一個String控件，實(shí)現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作。
3．串口接收數(shù)據(jù)顯示框模塊：在此模塊中使用String控件顯示監(jiān)測平臺通過PC機(jī)的串口接收到的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息。
4．指示模塊：此模塊中包括四個指示燈，指示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。
5．傳感器數(shù)據(jù)顯示模塊：此模塊中設(shè)置三個Numeric Indicator控件分別顯示三個傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)；將三個Graph控件拖入一個Tab Control控件中實(shí)現(xiàn)三種傳感器歷史數(shù)據(jù)的重疊選擇顯示。
本監(jiān)測平臺的后面板程序設(shè)計流程如圖4所示。
圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺流程圖
由于此監(jiān)測平臺通過串口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通訊，因此在程序中先配置串口模塊，再確定發(fā)送、接受模式，同時確定通訊協(xié)議。當(dāng)有發(fā)送或接收控制按鈕動作時，程序首先判斷是發(fā)送指令，還是接收回傳數(shù)據(jù)。若是發(fā)送指令，則判斷所發(fā)送指令是否符合格式要求，不符合則退出發(fā)送；若是接收數(shù)據(jù)，則判斷是哪個節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后再分別在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的顯示框中顯示波形和數(shù)據(jù)值。
4 應(yīng)用實(shí)例
4.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建實(shí)例
啟動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)后，運(yùn)行監(jiān)測平臺，在監(jiān)測平臺面板的操作按鈕中選擇“檢索網(wǎng)絡(luò)”按鈕，然后點(diǎn)擊“發(fā)送數(shù)據(jù)”按鈕，即向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送檢索網(wǎng)絡(luò)命令，運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。節(jié)點(diǎn)指示燈全部點(diǎn)亮，說明無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點(diǎn)運(yùn)行正常，無線網(wǎng)絡(luò)組建正常；同時，在串口接受數(shù)據(jù)顯示框中給出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息。
圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建實(shí)例
4.2 傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測實(shí)例
運(yùn)行監(jiān)測平臺，在監(jiān)測平臺面板的操作按鈕中選擇“讀取節(jié)點(diǎn)n數(shù)據(jù)”（n=1，2，3）按鈕，然后點(diǎn)擊“自動發(fā)送”按鈕，即連續(xù)發(fā)送獲取傳感器數(shù)據(jù)的命令，可得如圖6所示的傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果。
圖6 傳感器數(shù)據(jù)監(jiān)測實(shí)例
節(jié)點(diǎn)指示燈指示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行正常，在測試結(jié)果顯示框中顯示所獲取的傳感器數(shù)據(jù)的當(dāng)前值，波形圖中顯示測試數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)記錄，觀測者可直觀的獲取傳感器的數(shù)據(jù)。
5 結(jié)論
本文基于自主設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用NI公司的LabVIEW軟件平臺設(shè)計了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺。該監(jiān)測平臺為觀測者提供了直觀明了的人機(jī)界面，可清晰的顯示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息。同時，觀測者可方便的利用本監(jiān)測平臺對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行操作并獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的傳感器輸出數(shù)據(jù)。本監(jiān)測平臺界面簡潔，操作簡單直觀，可方便的進(jìn)行二次開發(fā)，具有廣泛的應(yīng)用價值。
