基于物聯網的無線溫度監測系統

陳宜冬 曾卓敏

摘 要：基于CC2530 802.14.5、STH15傳感器、使用C語言構造無線溫度采集系統，通過RS232將采集的數據上傳到主控機進行分析并存儲，開發服務器程序，實現遠程用戶通過互聯網對現場數據進行的實時監控。解決了現場數據實時存儲、故障分析、預警處理的問題。

關鍵詞：物聯網；Zigbee；CC2530

引言

溫度采集在很多應用系統中都有極其重要的作用。如嬰兒保溫箱恒溫控制系統等。傳統的溫度測量一般采用有線系統測量，具有布線繁瑣、添加節點復雜等困難、可靠性低等缺點，而且單個保溫箱控制失效一般由工作人員檢查得知，容易發生意外。基于基于物聯網[1]的無線溫度檢測系統采用無線采集數據、傳輸，通過互聯網將采集的數據和設備狀態傳到遠程用戶，實現遠程用戶對現場數據和設備狀態的實時監控，極大地提高了系統的可靠性。

1 基于物聯網的無線溫度監測系統的體系結構

本系統由傳感器節點、協調器節點、主控機、互聯網和遠程監控用戶組成。基于物聯網的無線溫度檢測系統的體系結構如圖1 所示。

圖1 基于物聯網的無線溫度監測系統的體系結構

由傳感器節點和協調器節點構成了物聯網的感知層，由無線網和互聯網構成了物聯網的傳輸層，由主控機和遠程用戶構成了物聯網的應用層[2]。傳感器節點采集現場的溫度，通過無線的方式傳輸到協調器節點，協調器節點通過RS232總線將采集到的數據傳到主控機中，主控機對采集到的數據分析、存儲、預處理、報警等處理，遠程用戶通過互聯網對設備的狀態實時監控。

2 傳感器節點的設計

傳感器節點用于保溫箱溫度的采集、標度變換、數據傳輸等。傳感器節點由電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和通信模塊組成，如圖2所示。

圖2 傳感器節點結構圖

2.1 傳感器節點的硬件結構

處理器模塊和通信模塊由CC2530[3]實現。CC2530 是德州儀器開發的用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 應用的一個真正的片上系統解決方案，內部集成了具有代碼預取功能的低功耗8051 微控制器內核，能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。CC2530內部集成了一個溫度傳感器和一個12位的A/D轉換器，但其精度不高，所以傳感器模塊由STH15實現。SHT15是Sensirion公司溫濕度傳感器，兩線制的串行接口與內部的電壓調整，使外圍系統集成變得快速而簡單，該產品具有品質卓越、響應迅速、抗干擾能力強、性價比高等優點。

2.2 傳感器節點的軟件設計

傳感器節點上電后對定時器、串行口、看門狗、中斷系統、STH15傳感器等硬件進行初始化，然后發現協調器節點并通過認證程序[4]通過協調器節點的認證加入到傳感網。只有經過協調器節點認證后的傳感器節點才能向協調器發送數據。傳感器節點向協調器節點發送數據的格式如圖3所示：

圖3 傳感器節點數據格式

3 協調器節點的設計

協調器節點用于無線網絡的管理，對傳感器節點進行認證，只有通過認證的傳感器節點才能在網絡中發送有效的數據。協調器節點由電源模塊、串口模塊、處理器模塊和通信模塊組成，結構如圖4所示：

圖4 協調器節點結構圖

串口模塊由MAX232[5]實現，用來實現協調器節點和主控機的通信。處理器模塊和通信模塊由CC2530實現，負責接收傳感器節點的發送的數據，進行數據預處理，然后將數據通過串行口送到主控機中。主控機的功能是接收協調器節點的數據，對數據進行分析、處理、存儲，通過服務器程序將數據發送發到遠程用戶端，實現遠程用戶對設備狀態的實時監測。主控機和協調器節點通信的數據幀格式如圖5所示：

圖5 協調器與主控器通訊數據幀格式

幀標志為0111111011111111，表示幀的開始和結束；節點數表示本次采集數據的節點數量；節點名稱是各個節點的邏輯地址，數據位本次采集到的溫度值，校驗碼采用累加和校驗。

系統實現

將4個傳感器節點分布在不同位置，設置不同的環境溫度，在主控機上設置溫度的報警閾值，其它主機通過互聯網，實時監測傳感器節點的溫度。在實驗的過程中將4號節點關閉，然后再打開，通過遠程監控端查看各傳感器節點的狀態，如圖6所示：

圖6 遠程監控端查看各傳感器節點的狀態

通過實驗，能夠準確地測得各傳感器節點的溫度值，在2、3、4次采樣的數據中節點4的值為“*”，是因為實驗過程中關閉了4號節點，打開4號節點后其溫度值正確地傳到了客戶端。實驗結果和實驗現場完全一致。

4 結束語

分析了物聯網技術和溫度采集的方法，采用CC2530和STH15實現了溫度的無線采集、傳輸，遠程用戶通過Internet，可對設備狀態進行在線監測，實現了基于物聯網的無線溫度監測系統，解決了有線數據采集的弊端，杜絕了單個設備節點失效后設備狀態無法檢測的缺點。本系統采用不同的傳感器，可實現濕度、氣體濃度、壓力等現場數據的實時監測。

參考文獻

[1]孫其博，劉杰.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010（6）：1-9.

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[3]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網絡的應用設計[J].電子設計工程，2011（8）：108-111.

[4]趙亮，張吉禮，梁若冰.面向建筑能源系統的物聯網通用網關設計與實現[J].大連理工大學學報，2014（1）：85-90.

[5]郭付才，王洪濤，劉志華.基于AT89C51單片機的RS-232串行數據截取器設計[J].現代電子技術2012（4）：95-97.

作者簡介：陳宜冬（1969，11-），男，哈爾濱理工大學副教授，研究方向：嵌入式、網絡應用。

曾卓敏（1994-），哈爾濱理工大學。