基于ZigBee－WSN的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

許馳，李新春

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，葫蘆島125105）

引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）作為物聯(lián)網(wǎng)的一種末梢網(wǎng)絡(luò)和感知延伸層［1］，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。然而，現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)往往存在通信距離短、覆蓋面小、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性低、設(shè)備體積龐大等缺陷。同時(shí)，由于監(jiān)測點(diǎn)大都在野外、機(jī)房、企業(yè)排污點(diǎn)等無人值守的地方，需要工作人員定期到現(xiàn)場檢查設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并維護(hù)，因此數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和故障排除的及時(shí)性得不到保證。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)（DSN）平臺(tái)［2］，采用分布式采集，集中式管理策略，并以采集環(huán)境溫濕度信息為例，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)溫濕度精準(zhǔn)采集。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)定義了傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器和路由器）和管理節(jié)點(diǎn)等三類功能單元，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)監(jiān)測需要分布在不同地點(diǎn)，具有小巧、可移動(dòng)和自適應(yīng)等特性。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸、路由中繼和匯聚等，包括ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。管理節(jié)點(diǎn)可以采用手機(jī)、PDA、嵌入式處理器或PC機(jī)等，這里采用PC機(jī)接收監(jiān)測點(diǎn)信息，并提供人機(jī)交互操作接口，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)；采用手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)異地監(jiān)控和報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 無線傳輸單元

無線傳輸單元是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，采用CC2530芯片作為系統(tǒng)的MCU，它是TI公司針對(duì)2.4GHz ISM頻段推出的第二代支持ZigBee／IEEE 802.15.4協(xié)議的片上系統(tǒng)集成芯片［3］。CC2530內(nèi)部集成了增強(qiáng)型的8051內(nèi)核，8路輸入的12位ADC以及看門狗定時(shí)器等，故只需很少的外圍電路即可構(gòu)建一個(gè)簡單的ZigBee節(jié)點(diǎn)。其中，必備的外圍電路包括晶振電路、電源電路、復(fù)位電路、無線收發(fā)電路等。由于技術(shù)相對(duì)成熟，這里不再贅述，可參看參考文獻(xiàn)［4］。

為保證網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積，選用TI公司的高性價(jià)比、高集成度的2.4GHz射頻前端CC2591。它適合于低功耗、低電壓的無線傳輸系統(tǒng)。CC2591內(nèi)部集成的功率放大器（PA）輸出功率可達(dá)＋22 dBm，保證了信號(hào)的大功率輸出；同時(shí)，還集成了接收靈敏度為6dB的低噪聲放大器（LNA）［5］。基于以上特性，采用CC2591射頻前端的ZigBee節(jié)點(diǎn)在無障礙情況下的傳輸距離可達(dá)500～800m，是原來距離的10倍以上，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大大增強(qiáng)。CC2530芯片與CC2591射頻前端的硬件連接圖如圖2所示。

使用CC2591的4個(gè)數(shù)字引腳PAEN、EN、HGM、RXTX控制芯片的狀態(tài)。接收信號(hào)時(shí)，當(dāng)HGM＝1采用高增益模式，增益為11dB；HGM＝0采用低增益模式，增益為1dB；發(fā)射信號(hào)時(shí)，無論HGM為1或0或懸空，信號(hào)均放大。另外，CC2591的RF＿P、RF＿N引腳須與CC2530的RF＿P、RF＿N對(duì)應(yīng)連接，保證RF＿P、RF＿N在發(fā)送期間能從功率放大器輸出正／負(fù)向射頻信號(hào)，在接收期間能輸入正／負(fù)向射頻信號(hào)到低噪聲放大器。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

傳統(tǒng)溫濕度采集往往采用溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器HS1101相結(jié)合的方式，存在數(shù)據(jù)融合算法復(fù)雜、準(zhǔn)確性低等缺點(diǎn)。采用基于CMOSens技術(shù)［6］的新型數(shù)字式溫濕度傳感器SHT75不僅提高了數(shù)據(jù)采集的精度，而且保證了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。其相對(duì)測濕精度為±1.8%RH，而在25℃時(shí)的測溫精度可以達(dá)到±0.3℃［7］，因此特別適合于特殊環(huán)境下溫濕度的精準(zhǔn)采集。

SHT75采用4引腳單排直插式封裝，供電范圍為2.4～5.5V，溫濕度采集電路電路如圖3所示。DATA引腳為雙向的串行數(shù)據(jù)收發(fā)引腳，可以接CC2530的任意GPIO實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，這里連接引腳P0＿3。另外，為避免信號(hào)沖突，CC2530應(yīng)采用低電平驅(qū)動(dòng)DATA引腳，故連接了一個(gè)10kΩ的上拉電阻，當(dāng)CC2530輸出低電平時(shí)，將信號(hào)拉至高電平驅(qū)動(dòng)DATA引腳。SCK為串行時(shí)鐘輸入引腳，連接至CC2530的P0＿2引腳實(shí)現(xiàn)同步通信，控制讀出溫濕度數(shù)據(jù)。

圖3 溫濕度采集電路

鑒于CC2530最小系統(tǒng)的可拓展性，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以連接1～3個(gè)傳感器。同時(shí)，為了便于CC2530和GPIO的數(shù)據(jù)傳輸，所有ZigBee節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序必須保證多個(gè)數(shù)據(jù)鏈路，而兩個(gè)對(duì)等ZigBee節(jié)點(diǎn)間則使用同一無線信道來和多個(gè)接口創(chuàng)建虛擬鏈路，以降低系統(tǒng)的成本。

2.3 報(bào)警單元

系統(tǒng)的報(bào)警單元采用聲光報(bào)警和遠(yuǎn)程短信報(bào)警相結(jié)合的方式，確保報(bào)警的及時(shí)準(zhǔn)確，無漏警。

對(duì)于聲報(bào)警電路，鑒于無源蜂鳴器的頻率可調(diào)，系統(tǒng)采用無源蜂鳴器實(shí)現(xiàn)溫濕度的區(qū)別報(bào)警。由于CC2530的I／O引腳電流最大只有20mA，驅(qū)動(dòng)能力有限，故采用一個(gè)PNP型三極管8550放大電流來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。當(dāng)溫濕度超過安全閾值時(shí)，通過特定程序?qū)ν廨敵霾煌l率的驅(qū)動(dòng)方波，發(fā)出不同報(bào)警信號(hào)。光報(bào)警電路采用普通發(fā)光二極管即可實(shí)現(xiàn)，其正極通過限流電阻接3.3V電源，確保灌電流不超過MCU的允許值，負(fù)極可直接接到CC2530的GPIO。聲光報(bào)警電路如圖4所示，兩者相互配合，可以更好地實(shí)現(xiàn)溫濕度的區(qū)別報(bào)警。

圖4 聲光報(bào)警電路

另外，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程異地監(jiān)控和報(bào)警，在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)增加GSM短信報(bào)警單元。選用德國西門子公司的TC35i模塊，它能夠支持中文短信，工作在GSM 900MHz和GSM 1800MHz雙頻段；模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成［8］。它的數(shù)據(jù)輸入／輸出接口實(shí)際上是一個(gè)串行異步收發(fā)器，其18引腳RXD、19引腳TXD均為TTL電平的串口通信引腳，分別連接到CC2530的GPIO即可實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。使用時(shí)只需通過CC2530發(fā)送AT指令即可控制TC35i進(jìn)行短信報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集程序

SHT75的內(nèi)部前端集成有I2C總線［7］，故數(shù)據(jù)采集程序需完全按照I2C總線的通信協(xié)議進(jìn)行即CC2530的采集指令和接收指令均應(yīng)遵照SHT75的時(shí)序編寫。CC2530向SHT75發(fā)送的測溫命令為00000011、測濕命令為00000101，所有數(shù)據(jù)均從MSB開始。在測量和通信結(jié)束后，SHT75自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式。

傳感器采集的溫濕度數(shù)據(jù)可以通過串口調(diào)試助手SComAssistant在PC端顯示，圖5為SHT75采集數(shù)據(jù)。可以看出，當(dāng)前環(huán)境的相對(duì)濕度范圍為49.5～50.1%RH，溫度為25.4～25.7℃，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，誤差可控，可以完成對(duì)溫濕度信息的精準(zhǔn)采集。

3.2 ZigBee－WSN軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和運(yùn)行是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的關(guān)鍵，關(guān)系到數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行硬件初始化和網(wǎng)絡(luò)初始化。CC2530采用ZigBee2007協(xié)議棧，該協(xié)議棧的初始化可由TI公司提供的Z－Stack完成，Z－Stack是一種輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，能夠完成硬件初始化、網(wǎng)絡(luò)初始化等絕大部分功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立實(shí)際上是通過協(xié)調(diào)器與其子節(jié)點(diǎn)的“綁定”實(shí)現(xiàn)的，首先由協(xié)調(diào)器通過網(wǎng)絡(luò)層函數(shù)NLME＿NetworkFormationRequest（）建立網(wǎng)絡(luò)，并通過zb＿AllowBind（）函數(shù)進(jìn)入允許綁定模式。子節(jié)點(diǎn)發(fā)出綁定請(qǐng)求zb＿BindDevice（）后，協(xié)調(diào)器建立綁定表并響應(yīng)綁定請(qǐng)求，綁定成功即意味著通信建立。當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)執(zhí)行相同步驟，并不斷更新綁定表。綁定表中包含了節(jié)點(diǎn)的16位網(wǎng)絡(luò)地址、64位IEEE地址和端口號(hào)。網(wǎng)絡(luò)地址用于路由機(jī)制和數(shù)據(jù)傳輸，而IEEE地址才是節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立過程如圖7所示。

圖5 SHT75采集數(shù)據(jù)

圖6 系統(tǒng)工作流程

圖7 ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立過程

系統(tǒng)初始化完畢后，前置節(jié)點(diǎn)便開始采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)傳輸和匯聚將在PC端實(shí)時(shí)顯示，閾值比較后可以進(jìn)行聲光報(bào)警和短信報(bào)警。

3.3 管理節(jié)點(diǎn)軟件

管理節(jié)點(diǎn)選擇TI公司配套的Z－SensorMonitor軟件，它可以形象地顯示網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。另外，Z－SensorMonitor提供了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和恢復(fù)功能，能將十六進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出到后綴為.log的文本中，并加入時(shí)間戳，便于今后對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的調(diào)閱和再現(xiàn)。故采用Z－SensorMonitor能實(shí)時(shí)地顯示各監(jiān)測點(diǎn)的溫濕度情況以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況，圖8為實(shí)驗(yàn)過程中采集到的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息。

圖8 實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息

結(jié) 語

通過對(duì)該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行功能測試發(fā)現(xiàn)，SHT75傳感器節(jié)點(diǎn)能準(zhǔn)確地采集到監(jiān)測點(diǎn)的溫濕度信息，數(shù)據(jù)符合監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)際情況。經(jīng)過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，達(dá)到了遠(yuǎn)距離、大范圍的實(shí)時(shí)溫濕度精準(zhǔn)采集要求。

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