ZigBee在室內環境監測系統中的應用

尹紅敏，王康誼，錢 超

（中北大學 信息與通信工程學院，山西太原 030051）

0 引言

鑒于現有室內環境監測存在的弊端和問題，本文提出一種基于ZigBee的無線傳感器網絡的室內環境監測方案，旨在克服室內環境監測存在的弊端，解決室內環境監測實時數據采集和信息交互的技術問題。

ZigBee技術[2]是一種新興的短距離、低功耗、低速率、低成本、高容量的無線網絡通信技術，承載這種無線網絡技術的CC2430高性能單片機[3]，與現代傳感器模塊相結合，可實現室內環境的智能化檢測，達到中央實時監測、報警，進而自動調節的目的。它具有施工簡單、檢測節點多、擴展容易、維修方便的特點，為室內環境提供現代化、智能化的科學、高效的管理手段。

1 室內環境監測系統的硬件設計

室內環境監測系統設計框圖如圖1所示。本系統采用ZigBee星型網絡拓撲結構[4]，適用于室內環境監測傳輸距離較近、環境干擾大、時間要求高、數據傳輸量大的場合。

圖1 室內環境監測系統的無線網絡結構框圖

主機是整個系統的中央監控設備，負責節點的數據通訊、數據分析處理和調節設備控制，通過豐富的顯示界面實現人機交互。主機通過RS232接口[5]有線連接中心節點，所有節點均采用CC2430芯片。中心節點[6]通過CC2430芯片集成的無線收發模塊，與終端節點進行無線收發通訊。終端節點[6]是網絡中數量最多的節點類型，結合相應的傳感器及信號處理模塊，負責采集室內環境監測點的數據，并實現要檢測的相關參數定時或實時通過網絡上傳，直至中央監測計算機。

1.1 中心節點設計

中心節點是整個監測系統通訊、控制核心，通過RS232串口與控制計算機相連，通過計算機的人機交換界面，實現整個系統的可控性和可視性。終端節點的數據均通過中心節點與主機進行數據交換，實現整個系統的中央監測與調節。通過功能模塊設計，具有功能鍵設定、液晶參數顯示、越限提示報警和設備自動調節的功能。中心節點的硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 中心節點結構框圖

中心節點的功能模塊包括調節輸出模塊、報警模塊、顯示模塊等。控制調節模塊通過光電隔離、耦合，連接外圍的驅動電路，實現室內環境調節設備的自動控制。報警模塊通過一個P0.3接口，連接報警驅動電路，進而可以驅動聲、光報警設備[7]，實現環境設定參數的超限報警。液晶或LED顯示模塊，可以根據供電情況進行選擇。當局域網絡系統脫離中央監測計算機獨立工作時，在功能按鍵的配合下，可以通過顯示模塊了解傳感器終端節點傳來的相關信息。功能按鍵模塊，可以實現中心節點與終端節點通訊的定點選擇或輪回選擇，配合顯示模塊，可以實現靈活的現場監測。中心節點的上行數據主要是輪回上傳各個終端節點的檢測數據匯總給主機，下行數據主要是傳達主機的相關數據需求，起到上傳下達的紐帶作用。

1.2 終端子節點設計

終端節點的結構框圖如圖3所示。

圖3 終端節點結構框圖

終端節點是帶傳感器的網絡子節點。室內環境所涉及的主要環境參數的檢測，包括溫濕度、光照度、甲醛等傳感器模塊，主要硬件為數字式傳感器及其輔助電路，包括傳感器工作電路和信號處理電路。此處傳感器模塊采用了數字傳感器模塊，如溫濕度傳感器SHT11[8]，方便了傳感器模塊的接口設計。

根據需要在終端節點也可選擇顯示、報警和功能鍵模塊，用于本檢測節點的數據檢測、聲光提示、參數設定等。中心節點與終端節點之間的上下行數據，主要包括下傳主機的數據需求指令，以及收集各終端節點的檢測數據，計算、匯總后通過中心節點上傳到主機，使主機隨時掌握終端的現場情況。

終端節點一般采用電池供電，ZigBee技術采用特有的低功耗設計，休眠模式時僅0.9μA的流耗，可用外部中斷或定時中斷RTC喚醒系統；待機模式時的電流消耗少于0.6μA，也可以用外部中斷喚醒系統，可以保證電池工作很長時間。

2 室內環境監測系統的軟件設計

2.1 中心節點程序設計

中心節點程序設計主要由主程序、數據巡回采集及處理子程序、顯示子程序、越限報警子程序、鍵盤掃描。中心節點主程序設計可以根據功能需要靈活設計，如果要使中心節點脫離工控機獨立工作，是以主從工作模式進行通信，還需要設計顯示、報警、鍵盤等中斷服務子程序。中心節點主程序是以主動的方式按照固定順序周而復始地呼喚終端節點而取得數據。其主程序流程圖如圖4所示。

圖4 中心節點主程序流程圖

2.2 終端節點程序設計

終端節點連接相關的傳感器模塊，工作主程序流程圖如圖5所示。

圖5 終端節點主程序流程圖

終端節點主程序開始后進行初始化，然后連續讀取各個傳感器的狀態參數，并通過運算后進行存儲和顯示。在所有傳感器數據讀取完畢后，檢查有無中心節點的數據發送呼喚，如沒有呼喚繼續輪回檢測傳感器狀態。如有中心節點的數據發送呼喚，調用數據發送子程序，直至全部數據發送完畢，再進行下一輪傳感器數據采集。如果讀取的傳感器數據超限或有功能鍵按下，則采用中斷的方式執行相應的中斷服務子程序。

3 檢測結果及分析

針對不同的對象，選用不同的傳感器模塊。本文主要利用溫濕度傳感節點實驗對系統功能進行了測試，實現了室內溫濕度的采集監測。本文采用數字溫濕度傳感器SHT11來測量室內環境的溫度和濕度，并將數據發送上傳，在主機上顯示。可通過圖形，直接觀察傳感器數據，更貼近于應用；增加了濕度與電池電壓的直觀顯示；濕度顯示精度增加為小數點后兩位，溫度范圍可顯示至零下，可滿足更多應用環境的需求。

現場測試的溫度為20.23℃，相對濕度大約50%。溫度檢測誤差不超過±0.5℃，濕度的檢測誤差在5%(相對濕度)之內。通過分析實驗數據，傳感器節點測得的監測數據滿足室內環境監測的實際需求。實驗測試還可證明，當室內環境發生變化時，可以在主機上實時監測到室內環境的變化情況。檢測參數一旦超限，計算機及時響應,顯示地址和超限參數值，并進行報警提示。

本實驗采用的PCB天線，ZigBee無線網絡的通信距離理論值為10cm。在同一房間內，數據傳輸迅速、穩定、可靠，如果相隔一道水泥墻，傳輸距離就受到限制了。為了擴大傳輸距離可以采用帶鞭狀天線的射頻模塊，也可以使用CC2591提高通信距離。

4 結論

通過檢測結果分析，認為基于ZigBee技術的室內環境監測系統，與傳統的環境檢測方式相比較，具有檢測效率高、施工簡單、維護方便、實時性好的特點，可節省施工成本，提高檢測效率，降低檢測管理成本。實現了室內環境監測的智能化、現代化管理。通過系統功能進一步開發，還能為其在本領域的應用增加新的價值，因此具有較高的經濟實用價值和較好的應用前景。

[1]溫衛敏.基于TMS320LF F2407的室內有毒氣體監測系統[J].贛州學院學報,2009,11(1):57-59.

[2]包長春,李志紅.基于ZigBee技術的糧庫監測系統設計[J].農業工程學報,2009,25(9):197-201.

[3]王秀梅,劉乃安.2.4MHz射頻芯片CC2430實現ZigBee無線通信設計[J].國外電子元器件,2009,17(7):45-50.

[4]白凱.基于ZigBee的室內環境監測系統的應用研究[J].工業技術經濟,2011,10(10):33-36.

[5]張榮標.微型計算機原理與接口技術[M].北京:機械工業出版社,2008.

[6]順舟科技.ZigBee無線技術手冊[EB/OL].上海順舟網絡科技有限公司,2010-06-20.http://www.shuncom.com.

[7]高守瑋,吳燦陽.ZigBee技術實踐教程-基于CC2430/31的無線傳感器網絡解決方案[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

[8]匡宇國.智能傳感器SHT11及其在便攜式溫濕度檢測儀中的應用[J].電子器件,2006(04).