陈经纬

摘 要：构建基于ZigBee的无线传感器节点数据采集及分布式远程控制系统，通过数据以及相关协议的结合，可以对远程节点进行采集，并且将其存储在数据库中。这种操作方式可靠性高，而且能耗低，对农业、工业等技术领域都有着相当大的应用价值。文章详细介绍系统总体设计及系统硬件、软件设计，希望对相关人员有借鉴意义。

关键词：无线传感器;节点数据采集;分布式远程控制

1 背景阐述

无线传感器网络技术使人们在对信息进行处理的过程当中拥有更快的速度，并且不断地提高计算机与世界之间的联系。而通过建立大量传感器获取数据，并且在中央服务器进行处理，达到了十分高效的运用效果。与此同时，远程控制技术也在高速地发展，这是一种以计算机通信技术为基础的处理方法。而将两者进行结合，可以充分地对信息进行反馈并且处理。这种运用远程控制系统通过互联网的远程控制实现的方法，有效地融入了服务过程，起到了非常好的效果。因此这种技术不会受到时空的限制，并且可以使人力成本大大减少，使资源的利用率不断扩大。正是因为这一系列的优点，许多研究单位也纷纷建立起相应的研究平台，并且通过其硬件结构进行灵活的操作，使其可以运用于不同的形式，让远程技术能够得到很大层面的推广[1]。

当前，在无线传感器网络和远程控制技术不断发展的背景下，物联网技术的应用也在不断的进步。目前“互联网+”这一理念应用于很多的领域，如交通、工业等，不仅有利于人们对于理论的探索和系统的改进，而且对各种发展模式以及各种路径的研究和开拓都有着相当重要的意义，它可以进一步促进人们生产方式的转变。而本文主要是研究基于ZigBee的无线传感器节点数据采集及分布式远程控制体系，通过对土壤中的一些含量数据进行说明，并且运用该系统，使用户能够在远程实现控制节点采集的功能，网页客户端能够收集主机的上传数据[2]。

2 系统总体设计

在对远程无线控制系统的总体进行设计时，需要兼顾网页客户端、服务端、主机端和无线传感器节点等各方面。远程无线控制系统有上述多个构建共同组成，任何一端出现问题都会导致系统无法正常运行，其中无线传感器扮演者信息收集和传递的作用，主要包括发送节点和调节器节点。通过对土壤中一些微量元素含量进行采集，以及远程操控实现系统的运行。用户可以在客户端对远程无线控制系统进行设置，对需要进行的工作下达指令，并且通过通信模块将指令代码传输到服务器。当服务器接收到该代码后，根据之前设定的协议使用该段代码，同时将代码信息传输给主机端。主机收到代码后对其进行识别和编译，并且将其放到实验中，如果该段编码无法编译，则认定为编译失败，将错误原因反馈给服务器和网页客户端，使得用户知道问题原因;如果编译通过，则通过无线传感器将代码发送至ZigBee无线传输模块，并且将采集到的数据发送至调节器模块，调节器在收到数据后将该数据传输至主机。同时服务器可以通过协议来使用该段数据信息，同时该段数据会保存在服务器中，作为数据库数据方便后续调阅历史数据时使用[3]。

3 系统硬件设计

3.1  ZigBee无线模块

ZigBee技术作为一种最新兴的通信技术，最为适用的方面是短距离通信，并且其含有自组织性、功耗低和稳定等各种优良的特性，相比起蓝牙等通信技术，有着巨大的优势。而ZigBee技术凭借这种优势也成了目前物联网发展最为重要的技术基础之一，通过短距离无线传输，在工业、家居等领域得到了大规模的推广。而在这种技术的应用之下，相关的人员可以在设备上通过设置多个节点，安装在设备中。然后就可以使用计算机系统，对其整体构成一个完整的传输网络系统。并且在这种系统的运用时，能够更好地实现各种信息之间的传递。

本系统在使用的時候，一般是通过CC2530作为微端控制器。在控制器之下的无线传感网络可以接收发送节点的信号源，并且进一步对所接收的信息进行处理。然后通过信息的点对点无线传输，放置在CC2530的调节器中。而后这种调节器会将汇聚过来的所有数据，通过无线调试接口板进一步传送到主机端，而其具体的方法采用了CC2530的发送节点以及调节点。通过调试接口板以及相应的仿真器和主机进行联系，并且将所编译的节点下载之后，使用调节器节点的数据线转口将接收的数据发送给主机，并进一步显示。

3.2  传感器模块

本系统在使用的过程中，其硬件也有一定的优良程度。比如，当系统在使用传感器对土壤当中的微量元素进行检测时，可以首先确定较为合适的地点，并且需要避开因为一些石块或坚硬的物体而导致探测结果出现误差。之后对需要测试的深度进行发掘，并且将其表层土抛开，使得将要测试的土壤能保持一定的松软程度。然后，可以将传感器直接插入土壤。在这个过程中，土壤检测一共需要4根接线，它们分别负责电源正负以及外接电源的正负。通过与相应的模块连接并且转换，可以与CC2530发送节点相互联系。这样可以准确地对土壤中的一些微量元素进行数据的采集，并且及时地通过传感器将数据进一步传送出去。

4 系统软件设计

4.1  无线传感器节点端

在系统的软件中，第一步要运用的是无线传感器节点端。它通过对节点以及调节器节点的组合，实现程序中的数据采集功能。其具体的内容可以定义各种函数并初始化，之后可以将数据进一步的接收和转发，并且对于转发的数据也可以进行格式的规定等。在使用CC2530的发送节点时，其流程一般都是先通过各种配置好的参数初始化，然后按照相应的格式发送代码。之后传感器就会接收这些数据，如果成功，就会通过指示灯闪烁来进行提示。在CC2530调节器节点板进行工作的时候，其节点与发送节点之间通过ZigBee的组成实现点对点传输。并且当节点数据准备好之后，相应的节点就开始接收数据，然后将接收过来的数据进一步发给主端机。

4.2  主机端

在系统软件中，主机端主要负责接收数据和发布数据，订阅并下载相应代码，编译并下载代码等功能。当主机端在使用过程中，其主要的组成部分就包括接听程序文件、批量处理程序以及订阅和发布的程序。文件批量处理程序主要是运用下载于各种服务端传输过来的代码，并且用命令将其实现文件的编译和下载。然后通过订阅和发布程序，发布主题端所需要订阅的各种代码以及数据。其主要的流程就是首先通过代码接收串口数据之后，验收数据是否正确，如果正确，可以进行进一步的发布。

4.3  服务器端

云服务器一般会采取不同的数据库，比如MQTT服务器、SQL数据库等。其中MQTT服务器主要包括对Web服务器的快速安装和配置，用于具体消息的订阅和发布。之后运用HTTP服务器，通过对主机的服务器下载相应的代码;SQL数据库主要的功能就是数据的储存，并可翻看历史数据。此外，一些通信技术使客户端实现与服务器之间的信息交换，并进一步地传输数据。其具体的流程是首先通过订阅数据，然后将数据进行进一步的解析处理，之后检测数据的正确性，如果正确，数据就会直接存入数据库。

4.4  网页客户端

在软件中，网页客户端主要实现以下几个功能：第一，使用户能够编写相应的代码，并且对无线节点端提交;第二，及时展示采集到的信号源信息。当用户在使用网页端的时候，可以通过点击相应的文件选择一定的文件代码，并且通过上传按钮传输。构建相应的HTTP请求，并且借助一定的对象将文件传输到云端。但是当代码出现解析失败的情况，主机会通过服务器将具体的说明返回网页端，这时需要进一步的改进。而当编译出现通过的情况，相应的数据会通过串口发送给主机。主机在接收之后，就会将这些数据进一步地传入相应的数据库。之后网页端就可以通过对数据表的应用实现数据库的访问。

5结果与分析

在对土壤微量元素进行测试的过程中，为了使结果具有更好的稳定性，应该进行多次实验。收集串口接收节点数据，并且将其编号，然后通过各种数据的分析逐一显示。之后利用数据库中的查询功能，逐一体现主机号以及数据。而通过对实验结果的研究，可以看到系统能够很好地实现用户的远程控制，并且基于ZigBee系统的无线传感器节点，实现对数据的采集，及时显示数据中所保存的信息。对比之前的协议数据方案，其系统具有相当大的优势，可靠性高、具有良好的扩展性、功耗低、使用范围广。而在使用过程中，服务器基于MQTT协议，可以进一步发布和订阅信息，通过对信息的发布解除对程序的耦合，并且在连接网络的时候还可以达到开销很小的效果。在系统运用时，將所采取的数据上传到数据库中，能够与历史的数据作进一步的比较，并且使相关人员及时地监控信息。

[参考文献]

[1]顾逸枫，张正华，沈逸，等.无线传感器节点数据采集及分布式远程控制[J].无线电工程，2020（8）：661-665.

[2]应可珍.能量高效的无线传感器网络数据融合关键技术研究[D].杭州：浙江工业大学，2019.

[3]景鸿鹏.基于数据聚合的无源无线传感器网络MAC层设计与实现[D].北京：北京交通大学，2019.

（编辑 傅金睿）