基于ZigBee与NB?IoT技术的白蚁侦测系统设计

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　　摘  要： 白蚁是一种破坏性极大的世界性害虫，其危害范围十分广泛，包括房屋建筑、交通设施、江河堤坝等都是它的危害对象。这些危害不易被人察觉，但是一经发现往往后果已十分严重。现有的白蚁防治手段主要是通过大范围喷药来实现的，这种方式不仅效率低、成本高，还会对环境造成大面积污染。针对上述技术不足，设计一种将ZigBee与NB?IoT技术融合的新型白蚁侦测系统，该系统采用独创的白蚁侦测装置，能够高效准确地侦测蚁情;ZigBee?NB?IoT网络架构覆盖范围广且性价比高，实现信息的集中管理并能够有效稳定地将数据上传至云服务器;系统创新性地采用MSP430芯片作为侦测节点的“休眠保姆”，实现全网同步休眠机制，最大程度上降低功耗，使系统能够长时间实时监测白蚁信息，工作人员可以通过终端设备查看侦测点的蚁情信息并进行精准灭杀，这样既提高了白蚁防治的效率又减小了对环境的污染。
　　关键词： 蚁情侦测; 系统设计; 技术融合; 信息集中管理; 数据上传; 同步休眠
　　中图分类号： TN915.4?34                           文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）18?0106?05
　　Abstract： Termite is one of the destructive pests in the world， which has a wide hazard range， including housing construction， transport facilities， river dikes， etc. These hazards are not easy to be perceived， but their consequences will be often serious as soon as they are found. The existing means of control over the termite are mainly achieved by large?scale spraying， which not only has low efficiency and high cost， but also causes large?area pollution to the environment. A new?type termite detection system integrated with ZigBee and NB?IoT technologies is designed for above technical deficiencies. In the system， a creative termite detection device is applied， which can detect termites′ situation efficiently and accurately. The ZigBee?NB?IoT network architecture covers a wide range and has high cost performance， which can realize the centralized management of information and upload data to the cloud server effectively and stably. In the system， the MSP430 chip is innovatively used as the "sleeping babysitter" of the node detection to realize the synchronous sleep mechanism of the whole network， by which the power consumption can be reduced to the maximum extent， the system can monitor termite information in real time for a long time， and the staff can check the termite situation information at the detection station by means of the terminal equipment and perform the accurate killing. It not only improves the efficiency of termite control， but also reduces the environmental pollution.
　　Keywords： termite situation detection; system design; technology fusion; information centralized management; data upload; synchronous sleep
　　0  引  言
　　白蚁对于房屋建筑的危害巨大，每年由于白蚁危害造成的损失高达数十亿。尤其是旧城区房屋建筑（包含古建筑）多是土木、砖石结构，通风不良、光照不足等特点极适宜白蚁繁殖。而现阶段的防治手段主要是大规模盲目使用药物来进行防治，这种方法不仅效率低下，而且因为药物的残毒时间长，对环境造成极大污染。 　　除了传统的药物防治技术外，现有的白蚁侦测物联网技术还有SI4463短距离无线通信技术和长距离的LoRa技术（如SX1278），虽然二者都可以达到微安级的休眠电流，实现超低功耗，但各终端节点之间却不能组网，所以也就无法实现全网同步休眠和唤醒。如果有任意2个终端节点同时发射数据就会造成数据拥堵而丢包，而且集中器需要24 h工作不能休眠，所以集中器必须采用市电220 V供电，还要做防雷处理，导致集中器硬件成本很高。
　　基于现有技术存在的问题，本文提出了一种基于ZigBee与NB?IoT技术的白蚁侦测系统，该系统是由大量侦测节点通过无线通信技术构成的自组织网络，集成了传感器、计算机、嵌入式、无线传输等技术，用来采集、处理和传输网络覆盖范围内被测对象的信息。利用传感器感应白蚁的存在状态、电池电量等参数，通过ZigBee模块和NB?IoT模块发送数据至云端服务器。采用同步休眠机制最大程度上降低系统功耗。工作人员可以通过上位机、智能手机APP随时查看状况，能够准确、实时地通报蚁情，然后再对白蚁实施“精确打击”。这样既提高了防治效率，又不会造成环境污染，具有极高的实用价值。
　　1  系统整体架构
　　一个完整的白蚁侦测系统主要由多个分散式侦测节点、集中器、云端服务器以及终端设备组成。系统的结构示意图如图1所示。
　　侦测节点由ZigBee网络中的路由器和终端组成，主要负责连接各类传感器并采集相关数据。集中器由ZigBee协调器和NB?IoT模块组成，二者通过串口连接，其网络结构如图2所示。其中，协调器是ZigBee网络的中心，负责组网、维持网络并接收各个侦测节点发送的数据;ZigBee协调器通过串口将集中器接收到的数据发送给NB?IoT模块，再通过NB?IoT网络将数据传输到云端服务器，实现ZigBee传感网络与互联网的连接。用户可以通过手机、电脑、平板等终端设备登录系统，实时查看相关信息。
　　2  侦测装置设计
　　根据实际要求，本系统的白蚁侦测装置由侦测节点和饵料组成。侦测节点中嵌有干簧管传感器模块，当白蚁啃食饵料时将触发干簧管传感器的状态发生改变。同时，由于侦测装置在工作时是埋在地下的，需要对装置进行防水处理，必须使侦测节点处于一个封闭的环境中并与饵料隔离开来。白蚁侦测装置模型如图3所示。
　　图中的侦测装置埋于地下，顶部与地表平齐，图中的“饵料”实为白蚁最喜欢啃食的白松木，白松木内部已被凿空，并填满了玻璃珠沙，最上部放置一个圆柱形小磁铁。白蚁的鼻子很灵敏，可以闻到土壤里面50 m外的白松木的气味，当白松木被白蚁啃食，内部的玻璃珠沙就会漏出来，导致顶部的磁铁下落，进而使干簧管传感器失去外部磁力而断开，通过监测干簧管传感器的通断可以判断是否有白蚁入侵。
　　玻璃珠沙和普通沙子相比有一个最大的优点，就是当处于潮湿环境中或被水淹没时，普通沙子会相互粘连，而玻璃珠沙即使泡在水中，也会有很好的流动性，即使白蚁在白松木棒上边啃食了一个小洞，玻璃珠沙都会漏出来，导致顶部的磁铁下落。
　　图3中顶部的电路板采用特殊工艺，用塑料外壳全密封，包括干簧管传感器和电池一起全密封，具有很好的防水性能，平时无法更换内部电路板的电池，所以采用了一次性锂电池，而且要求锂电池能够使用3～5年不更换，这就对整个电路的低功耗提出了极为苛刻的要求。
　　2.1  传感器模块设计
　　干簧管，也称舌簧管或磁簧开关，是一种磁敏的特殊开关，其结构如图4所示。干簧管的工作原理非常简单，2片端点处重叠的可磁化的簧片，由惰性气体密封于一玻璃管中，两簧片分隔的距离仅约几微米，玻璃管中装填有高纯度的惰性气体。在尚未操作时，2片簧片并未接触，外加的磁场使2片簧片端点位置附近产生不同的極性，结果2片不同极性的簧片将互相吸引并闭合，干簧管作为一种机械开关，工作时不需要电源也不会产生任何形式的功耗，十分适合作为侦测装置的传感器。当白蚁啃食饵料后，干簧管传感器的状态会发生改变。
　　2.2  侦测节点设计
　　侦测节点的主要功能是通过各类传感器采集相关数据，并以无线传输的形式将数据发送给集中器。同时为了最大程度降低功耗，要求所有侦测节点均能长时间休眠并同步唤醒。其硬件结构如图5所示。
　　2.2.1  侦测节点硬件设计
　　侦测节点中的ZigBee模块选用德州仪器生产的CC2530，该芯片是ZigBee片上系统解决方案，基于IEEE 802.15.4标准基础上的低功耗个域网协议，集成了领先的RF收发器的优良性能，具有业界标准的增强型8051内核，具有低成本、近距离、自组织、低功耗、低数据传输率、低复杂度等特点。较蓝牙、WiFi等无线技术，更适用于大范围的无线传感器网络构建。
　　由于整个系统均采用一次性锂电池供电，为了提高系统的工作时间，必须采用定时的工作方式。整个侦测系统中的侦测节点在数据采集和上传工作完成后，必须同步进入休眠模式，休眠时间到后能够同步唤醒。然而ZigBee终端、路由器的最大休眠时间只有511 s，且休眠定时器不够精确。本设计采用MSP430F2001模块作为ZigBee节点的“休眠保姆”。具体步骤为：由ZigBee协调器向网络里的所有节点广播发送一个休眠指令使所有侦测节点同时进入休眠，随后协调器也进入休眠状态，这样就保证了整个网络的所有节点几乎在同一时间内进入休眠状态;MSP430收到CC2530的休眠指令后立即进入休眠计时，待计时时间满之后则向CC2530发送唤醒信号（计时过程中产生的误差很小且每个计时节点的时间都相同），这样就保证了所有节点的同步唤醒，所有节点连续休眠6 h的同步唤醒时间差可以控制在1 s以内。
　　作为“休眠保姆”的MSP430包含一个16位精简指令集CPU、各类外设和一个灵活的时钟系统。其体积小、价格低廉，主要特性为超低功耗架构，实时时钟模式的电流仅为0.8 μA，能够极大程度地延长电池寿命。 　　2.2.2  侦测节点软件设计
　　侦测节点由ZigBee网络中的终端、路由器与MSP430模块组成，主要功能是采集各类传感器数据，将采集到的数据进行处理后通过ZigBee网络发送给ZigBee协调器。传输完成后等待接收协调器发送的休眠指令，一旦接收到休眠指令，侦测节点随即激活“休眠保姆”（MSP430模块），设定定时时间后进入休眠模式。等待MSP430模块定时到时，再发送复位信号给ZigBee终端，路由器节点将其唤醒。其程序流程图如图6所示。
　　3  集中器设计
　　集中器由ZigBee协调器和BC26模块组成。协调器作为网关的核心处理部分，一是具有自组网的功能，二是可以通过串口与BC26模块相连，通过AT指令控制BC26模块进行网络连接、数据发送等。ZigBee协调器的硬件设计如图7所示。
　　3.1  集中器硬件设计
　　NB?IoT（窄带物联网）是IoT领域新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，属于低功耗广域网技术，具有部署灵活、窄带、低功耗、低成本、高容量、深度覆盖、低功耗等特点，直接获取IP地址便可将数据传输到互联网，具有直达云端的优势。单个NB?IoT节点向运营商支付的业务费也较低。
　　NB?IoT模块选用BC26模组，BC26基于联发科MT2625芯片平台研发，支持全球频段，客户只需一个模组，即可覆盖全球需求。BC26具有超小体积，能最大限度地满足紧凑型终端设备的需求。
　　集中器中选用的ZigBee模块与MSP430模块与侦测节点中的相同。而ZigBee网络中的协调器由于要维持网络，一般而言无法进入休眠，故同样使用MSP430模块作为“休眠保姆”。该设计中将协调器节点作为网关节点，连接ZigBee网络与NB?IoT网络，同时也要包含两个异构网络之间数据转发的功能。CC2530与BC26之间通过串口连接，ZigBee协议由Z?Stack协议栈处理，NB?IoT协议由BC26模块处理，2种异构网络之间的的数据交换主要为应用层数据交换。NB?IoT网络数据的发送及接收是通过串口发送AT指令给BC26模块来进行控制。
　　3.2  集中器软件设计
　　集中器主要由ZigBee协调器、BC26和MSP430模块组成。协调器的主要作用是组建网络并实现与NB?IoT的对接，组建网络成功后接收侦测节点采集的数据并通过NB?IoT模块将数据上传至云端服务器，ZigBee与NB?IoT模块对接的核心问题在于数据交互，协调器需要将集中器的数据传输给NB?IoT模块，并控制NB?IoT模块将数据上传至服务器。通常BC26模块的初始化以及数据传输都是通过一系列AT指令来实现的，故只需要在协调器的应用层程序中嵌入BC26模块的初始化及数据上传指令即可。所有的数据传输完成后协调器节点广播发送休眠指令，然后激活MSP430模块并发送开始定时指令，之后协调器自身进入休眠模式，BC26模块通过设置T3324定时器同步进入PSM休眠。当MSP430模块定时结束后发送复位信号唤醒协调器，协调器被唤醒后通过PWRKEY将BC26模块从PSM唤醒，整个集中器重新开始工作，其流程如图8所示。
　　每个ZigBee节点上面都有一个MSP430模块作为“休眠保姆”，其主要功能是确保每一个ZigBee节点都能够同步休眠并同步唤醒，尽可能地减小系统功耗。MSP430模块一上电就进入休眠模式，在ZigBee节点完成相应工作后被激活并开始定时，定时结束后通过给ZigBee模块发送复位信号进行唤醒，然后自身又进入休眠。其软件流程图如图9所示。
　　4  系统的调试与分析
　　选用3个ZigBee模块进行测试，分别作为协调器节点、路由器节点和终端节点。每一个节点都嵌入了MSP430模块作为“休眠保姆”，其中协调器节点还与NB?IoT模块相连接，可以通过节点上的指示灯来判断设备的工作状态。为了方便观察现象，将节点的休眠时间设定为6 h，一天自动上报数据4次。将所有节点上电，LED闪烁3次代表设备已正常运行，协调器节点会将接收到的数据通过NB?IoT模块上传至服务器。用户可以在Web端实时查看数据详情，侦测节点上传的数据主要是ZigBee节点的MAC地址、传感器数据、电池电量、累计工作时间和开关量。其中，MAC地址用于标识侦测节点，每一个ZigBee节点的MAC地址都是独一无二的。开关量对应干簧管传感器的状态，当白蚁侦测装置被触发（即有白蚁存在）后，开关量为00，否则为01。数据详情如图10所示。
　　5  结  语
　　本系统结合ZigBee自组网、MSP430低功耗和NB?IoT直达广域网的优势，设计一套用于白蚁侦测的无线传感网络。与现有的白蚁侦测手段相比，本系统采用新型的白蚁侦测装置，经试验表明具有高稳定性、低误报率的特点;ZigBee与NB?IoT组成的异构网络覆盖范围广、连接节点多且具有较高的性价比;创新性地使用MSP430作为ZigBee节点的“休眠保姆”，实现了同步休眠、同步唤醒，解决了ZigBee协调器无法休眠的问题，最大程度上降低了系统功耗。测试结果表明，该系统运行稳定，具有成本低、覆盖广、功耗低、操作方便等特点，且具有较高的应用价值。
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