基于6LoWPAN的楼宇环境监测系统的制作方法

本发明涉及一种基于无线传感器网络的环境监测系统，具体涉及基于6LoWPAN的楼宇环境监测系统。

背景技术：

在信息技术迅猛发展的当今社会，自动检测技术与信息传输相结合的智能楼宇监测系统越来越多地运用到人们的日常生活中。目前，绝大多数楼房在建设期间没有同时部署安防设备，而后期部署选用有线方式导致成本昂贵且部署困难，容易对墙体造成破坏。该项目的研究内容利用无线传感器网络，能够有效降低建设及维护成本。

传统无线通信方式如WiFi、蓝牙等在组网及功耗管理方面存在不足。其网络节点数量以及传输距离有限无法进行大规模部署，且功耗较高使用寿命短。无线传感器网络具有低功耗、自组网、成本低、支持多跳传输、网络容量大等特点。而楼宇空间面积大，无线传感器网络能够更好地满足其需求。

目前常用的基于ZigBee技术的无线传感器网络解决方案存在缺陷。其与IP网络存在异构，无法实现端到端的访问，导致网络稳定性差。同时在我国，ZigBee仅支持2.4G通信，穿透力差，由于楼宇墙体较多，导致其信息传输稳定性降低。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供基于6LoWPAN的楼宇环境监测系统，通过在楼宇内各个角落放置传感器监测节点，将监测的环境信息通过6LoWPAN无线通信方式传输到监测中心，监测中心可以得到各个监测点的环境要素信息，便于监控楼宇内是否存在安全隐患，节省人力资源，提高监测水平。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于6LoWPAN的楼宇环境监测系统，包括传感器节点、边界路由节点以及上位机监测中心三部分；

各传感器节点布置在每层楼，实时监测当前环境中的温度、湿度以及烟雾信息；

所述的传感器节点根据楼宇层数以及每层面积大小部署相应数量的节点；每个节点采集一组数据，每组数据包括温度、湿度、烟雾；由于各环境要素变化缓慢，传感器节点采集时间设置为每3分钟采集1次，并通过传感器节点内部的微控制器进行A/D转换，最后将数据发送至边界路由节点；

边界路由节点与上位机监测中心的监测主机通过以太网通信，通过将传感器节点发送的6LoWPAN数据包转换成IPv4数据包，发送至监测主机，从而实现传感器节点与上位机监测中心的交互与远程访问；

所述的传感器节点的硬件包括微控制器，微控制器上设置有四个信号连接端口，分别连接CC1120射频模块、温湿度传感器、烟雾传感器与系统调试接口；

所述的边界路由节点的硬件包括微控制器作为主控单元，所述的微控制器上设置有四个信号连接端口，分别连接CC1120射频模块、系统调试接口、时钟模块与以太网通信接口；

各传感器节点构成传感器网络，所述的传感器网络以6LoWPAN作为组网协议。

所述的传感器节点的微控制器为TM4C123GXL。

所述的边界路由节点的微控制器为TM4C1294XL。

本发明的有益效果：

本发明涉及的基于6LoWPAN的楼宇环境监测系统，功能完整并能够稳定工作；能够有效减少节点通信频率，降低射频模块的工作时间，从而起到降低节点功耗的作用，具有组网方便、易维护、成本低、运行稳定以及远程监测等优点，能够有效实现对楼宇环境的监测，具有较高的应用价值和推广价值。

而采用6LoWPAN通信技术作为无线传感器网络的解决方案，利用其IPv6特性能够轻松实现传感器网络与Internet网络之间的通信；便于系统维护，同时其支持Sub-1GHz通信，具有较强的穿透力，提高系统通信的稳定性。

附图说明

图1为本发明系统结构框图。

图2为本发明传感器节点硬件结构图。

图3为本发明边界路由节点硬件组成图。

图4为本发明上位机原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，根据楼宇层数以及每层面积大小部署相应数量的传感器节点，每个节点采集一组数据，每组数据包括温度、湿度、烟雾等；由于各环境要素变化缓慢，因此传感器节点采集时间设置为每3分钟采集1次，并将数据发布至边界路由节点，经以太网到达MQTT服务器，服务器根据上位机(MQTT客户端)订阅的消息，将数据推送到上位机；

边界路由节点作为传感器网络与用户之间数据传输的桥梁，通过将传感器节点发送的IPV6数据包转换成IPv4数据包，经以太网发送至MQTT服务器；上位机监测中心用于向MQTT服务器订阅消息来获得传感器节点数据并显示，针对异常数据发出报警信号，并保存采集的数据。

如图2所示，传感器节点使用TM4C123GXL(MCU)作为控制器，CC1120作为射频模块。MCU初始化CC1120射频模块来选择传感器节点的工作方式并且匹配通信地址。当传感器节点接收到边界节点发送的指令，MCU通过CC1120射频模块将传感器节点收集的数据发布到边界节点；

如图3所示，边界路由节点作为数据采集传感器网络与外界网络数据交换的桥梁，在存储容量以及计算能力方面要求更高。系统选用TI公司的TM4C1294XL微控制器作为主控单元，与TM4C123GXL相比，其支持以太网通信、拥有更大的Flash以及RAM，能够存储更多的节点信息以及更强大的运算能力。其硬件组成与传感器节点相比增加了时钟模块和以太网通信接口，通过时钟模块来确保整个数据采集系统内所有节点的时间同步，而以太网接口则实现传感器网络与上位机之间的数据交互。

系统的传感器网络以6LoWPAN作为组网协议，能够较为容易的实现对传感器数据的上传，降低开发难度，减少系统复杂度。传感器节点选用MQTT作为应用层传输协议，该协议以发布/订阅为模型，传感器节点通过定时触发的方式采集传感器数据并发送至MQTT代理服务器。由代理服务器再将数据推送至用户，无需用户直接访问传感器网络，从而减少了传感器网络的通信负担。

本发明的工作原理：

传感器节点采用模块化设计，整个流程分为系统初始化，传感器数据采集，处理以及发布数据；初始化程序包括外设初始化以及网络初始化，同时启动定时器，通过定时器触发传感器节点采集各传感器的数据，并进行A/D转换后将数据打包通过MQTT协议发送至代理服务器进行数据处理；传感器节点首先通过上位机IP地址以及MQTT固定端口号1883连接到部署在上位机上的MQTT代理服务器；然后注册主题(topic)信息，系统中的主题信息即为传感器节点编号。注册完成后将传感器数据发送至代理服务器发布数据，然后断开连接完成数据发送。

边界路由节点初始化过程与传感器节点基本一致；初始化完成后，等待接收消息。当接收到传感器节点发布的信息后，利用Contiki系统的NAT64以及DNS64技术将接收到的信息根据DNS请求转换为相应的IPv4数据包，然后通过以太网通信接口发送至上位机，完成对传感器网络的数据采集。同时当上位机向传感器节点发送请求时，边界路由节点将数据包转换为IPv6格式再发送至相应传感器节点。

如图4所示：上位机是用户监测温室环境的主要工具，采用三层架构设计，即业务逻辑层，交互层以及存储层。其中业务逻辑层用以处理数据，负责通信、计算以及存储。交互层用于系统与用户之间的交互。存储层选用ACCESS数据库实现数据的存储，以便历史查询以及数据分析。具体组成框图如图4所示。由于传感器网络采用MQTT作为应用层传输协议，上位机需要通过代理服务器实现用户与传感器网络之间的数据交互。系统选用开源消息代理软件Mosquitto作为MQTT的代理服务器。上位机监测系统启动后根据传感器节点编号向代理服务器发送订阅信息，从而完成订阅功能，当代理服务器接收到传感器节点发布的数据后再将数据推送至上位机监测系统。