基于ZigBee無線傳感器網絡的大氣環境監測系統

摘 要：隨著人們對生活環境質量的重視程度的不斷提高，從而使得各種類型的環境監測系統也在不斷的增多。常見的環境監測系統大多數采用的是RS-485、以太網、GPRS等方式進行通訊。上述方式往往存在著布線困難、費用高等特點，從而不易大面積的推廣。本文設計的基于ZigBee的無線環境監測系統具有免授權頻段、低功耗、耗資少、安全性高、靈活性強等優點。能夠滿足大多數場合的環境監控需求，達到了預期的設計目的。

關鍵詞：ZigBee；短距離無線通信；無線數據傳輸

ZigBee是目前一種新興的無線網絡技術，它是IEEE無線個人局域網工作組的一項標準，也被稱為是IEEE802.15.4技術標準。ZigBee的協議棧非常簡單，只需要4KBROM、8位的處理器、64KB的RAM就能夠滿足最低的要求。ZigBee協議棧是通過數據鏈路層、網絡層、物理層以及匯聚層等組成。IEEE對其物理層以及數據的鏈路層進行了制定。ZigBee則對應用匯聚層、網絡層以及高層應用規范進行了相應的定義。一個基于ZigBee無線傳感網絡通常具有成本低廉、功耗低、低速率、網絡容量大、可靠性高、安全性高、自組網靈活等諸多的優點，所以ZigBee在很場合都得到了廣泛的應用。

1 系統總體設計

基于ZigBee無線傳感器網絡的大氣環境監測系統的主要組成部分是由管理控制中心以及網關節點構成。在所要檢測的范圍內，傳感器的節點被任意的分布在監測區域內。若干個傳感器的節點與一個網關節點構成了一個監測子網[1]。網關的節點通過使用ZigBee協議完成了與各個節點進行通訊。而管理控制中心只需要安裝一臺具有固定IP地址的服務器，該服務器的主要任務就是各個網關節點之間進行數據的傳輸與信息交互。而這些信息都被保存在數據庫中，用戶能夠非常方便的實時查看系統的運行情況，能夠對數據的采集情況進行有效的分析、與統計，同時也能夠通過系統向傳感器發送指令。

2 系統硬件設計

2.1 zigbee無線傳輸模塊設計

本文所描述的監測對象是環境，由于其對象本身的自然環境具有氣候復雜、面積廣泛等特點。本文所描述的線數據傳輸模塊的硬件工作原理如圖2-1所示：

硬件設計大致可以劃分為4部份，他們分別為JTAG電路、電源電路、和串口轉換電路以及無線收發電路。本文設計了串口轉換電路，能夠方便、快捷的完成RS232串口數據轉換任務。此外，還可以完成PC機與無線模塊之間的數據通訊的任務。無線收發電路是本次設計內容的重點部分，而JTAG電路的主要的任務就是完成對CC2430的測試以及編程的任務[2]。

2.2 zigbee無線傳輸模塊設計

本文在無線通信模塊設計過程里，使用了CC2430射頻芯片。其中對無線收發模塊的設計是由CC2430芯片以及外圍電路構成，使用CC2430芯片能夠于少量的外部元器件連接就能夠實現信號的收發的功能。為了能夠實現計算機與各個節點之間的通訊，本文設計了了RS232電平轉換電路，各個節點采集的數據能夠自動的上傳到相關的監控設備，同時監控設備也可以使用串口來發送具體的操作命令到各個的節點。在一般的情況下，節點與PC機是通過RS232或者是RS485來進行通訊的，RS485在通信距離以及速度上優于RS232，但是RS232簡單實用，所以本文選擇了RS232 作為電平轉換電路。

3 軟件設計

3.1 管理控制中心軟件設計

管理控制中心監測系統的重要組成部分，其主要的功能就是完成對整個監測系統的管理與控制。管理控制中心軟件采用當今最為流行的JAVA語言進行開發，服務器上安裝了LINIX操作系統。采用Tomcat提供對外的網絡服務?？刂浦行呐c網關節點使用TCP/IP協議完成通信，系統的使用這就可以通過本地瀏覽器完成傳感器的管理、系統的監控以及數據信息的分析。軟件架構如圖2-2所示：

3.2 串口發送程序流程設計

本文軟件設計主要分為兩部分，第一部分向PC機發送數據的過程是通過CC2430異步串行接口完成的。而剩下的部分則是使用串口接收數據，來完成對數據處理過程，最后將處理結果返還給PC機。發送子程序和發送主程序的流程如圖3-1所示：

串口發送子程先對數據是否發送完畢進行判斷，如果沒有完成就繼續要求發送數據，在數據的發送過程中，首先將數據送入串口0的數據收發緩沖器，這時發送函數做了個等待中斷標志的處理，當中斷產生了，此時也就意味著U0DBUF里的數據已經被發送完畢。只有這個過程完畢后，數據才能夠繼續發送。需要強調的是，在發送主程序過程中，先是調用發送函數發送了一個字符串，接著在將已發送的數據進行清除后，才能夠在重新發送一個字符串，然后在做延時處理，接著就循環發送數據，直到所有的數據發送完畢[3]。

3.3 溫濕度傳感器模塊設計

本文設計的大氣環境監測系統主要是對大氣的溫度，濕度和壓力進行采集、分析與統計。本文的傳感器選擇的是博臣科技有限公司最新推出的CHTM-02系列的溫濕度傳感器[4]。該傳感器的特點如下：

⑴敏感元件：高分子濕敏電阻和NTC熱敏電阻。

⑵耗電電流：5mA。

⑶工作方式：濕度在10%到95%RH，溫度范圍在0-70℃。

⑷輸出電壓：CHTM-02/A為0到3V，CHTM-02/B為1到3V，CHTM-02/C為0到1V。

⑸溫度系數：0.4%RH/℃。

該模塊主要是由濕敏元件、熱敏元件、電位器和輸出端口組成。其中濕敏元件是一個濕敏電阻，通過該電阻就能夠吸收所在環境中空氣的水分來改變其電阻大小。本文所描述的熱敏元件使用的是一個NTC熱敏電阻，其電阻值隨著溫度的上升電阻值減小，此外還能夠使用集成的溫度傳感器，具體的焊接位置能夠在電路板上進行預留。點位器的功能就是負責來調節電壓的大小，輸出端口和四根導線相連，紅色與黑色的線分別代表的是電源+5V和GND，黃色與綠色分別是濕度和溫度輸出。

4 結論

本文設計的基于ZigBee無線傳感器網絡的大氣環境監測系統具有功耗低、價格低廉、安全性、可靠性高等諸多的優點，能夠滿足復雜場所對環境的監控要求。解決了大氣環境數據實時采集、遠距離傳輸等問題，只要對該系統進行簡單的改動就能夠方便的應用在其它的環境監測領域。

[參考文獻]

[1]PATRICKKinney，etc.ZigBeetechnology：wirelesscontrolthatsimplyworks[J].CommunicationsDesignConference.2013，（12）：456-457.

[2]DAVIDGeer.UsersmakeabeelineforZigBeesensortechnology[J].Computer.2008，（8）：789-799.

[3]原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術的無線網絡應用研究[J].計算機應用與軟件.2013，（6）：89-91.

[4]馬忠梅，劉濱，戚軍，馬巖.單片機C語言Windows環境編程寶典[M].北京：北京航空航天大學出版社.2012.