基于ZigBee的環(huán)境檢測系統(tǒng)設計

董勝　劉蓉　許瓊文

【摘要】 環(huán)境檢測系統(tǒng)主要由傳感檢測網絡、網關、服務器以及終端應用組成。傳感檢測網絡基于ZigBee協(xié)議，由分布于各個待檢測區(qū)域的環(huán)境檢測節(jié)點組成。傳感器節(jié)點分為父節(jié)點和子節(jié)點，上電后父節(jié)點建立的網絡，子節(jié)點加入網絡。經測試，子節(jié)點可向父節(jié)點周期性地上傳環(huán)境數(shù)據。用戶通過手機或平板電腦接入移動網絡隨時掌握被測網絡的環(huán)境信息。

【關鍵詞】 環(huán)境檢測 傳感器網絡 ZigBee

Abstract： Environment detection system is mainly composed of sensing monitoring networks， gateways， the servers and terminal applications. Sensing monitoring network is composed of environmental detection node distributing in each area which is to be detected based on the ZigBee protocols. Sensor nodes can be divided into parent and child nodes. The parent nodes set up the network and the child nodes join the network when power is on .Child nodes will upload the environmental data to the parent nodes periodically. Users who have a mobile phone or a tablet can access to the network to get the environmental information of the network which is being detected at any moment.

Key words： environmental monitoring； sensor network； ZigBee

一、引言

隨著社會與經濟的發(fā)展，我國工業(yè)化程度逐漸提高，使得環(huán)境檢測與控制的應用需求越來越大。比如，農業(yè)生產、工業(yè)制造、環(huán)境保護、室內居住等等。科學技術的發(fā)展，也不斷地改變著環(huán)境檢測的技術，使環(huán)境檢測變得數(shù)字化、系統(tǒng)化、智能化。目前的環(huán)境檢測技術，運用高精度，低誤差的傳感器網絡，將環(huán)境參數(shù)變?yōu)閿?shù)字信號，再送入主控器分析和處理，然后智能化控制進行進一步的操作，比如報警、降溫、開窗、語音播報等操作。

本文提出一種基于MSP430F5418和CC1120的嵌入式遠程環(huán)境檢測系統(tǒng)的方案，實時檢測當前傳感器網絡節(jié)點下的溫度、濕度、光強度信息，并可進行語音播報。該設計可應用于大棚種植的環(huán)境監(jiān)控、室內居住環(huán)境的檢測、森林火災預警、城市環(huán)境動態(tài)監(jiān)控等。

二、系統(tǒng)結構

智能環(huán)境檢測系統(tǒng)結構如圖1所示，主要由傳感檢測網絡、網關、服務器和終端應用組成。傳感檢測網絡基于ZigBee協(xié)議，由分布于各個待檢測區(qū)域的環(huán)境檢測節(jié)點組成。每個檢測儀節(jié)點由信息采集模塊、MSP430F5418控制模塊、語音播報模塊、人機交互模塊，CC1120無線模塊組成。網關完成ZigBee網絡與互聯(lián)網的對接。而服務器則負責接收來自于傳感檢測網絡發(fā)送的環(huán)境數(shù)據，并進行分析，存儲，處理指令等操作，終端應用設計為手機安卓程序，可以查詢權限范圍內節(jié)點的環(huán)境信息和遠程發(fā)送升溫，除濕等指令。

2.1 傳感器節(jié)點設計

傳感器網絡節(jié)點系統(tǒng)框圖如圖2所示，主控芯片MSP430F5418分別與信息采集模塊、按鍵液晶模塊、語音模塊、CC1120模塊連接。每個節(jié)點都具有人機交互和語音播報功能。MSP430F5418上電后在不工作時處于低功耗模式，僅通過中斷喚醒芯片處理事務，以達到節(jié)能目的。傳感器節(jié)點由父節(jié)點和子節(jié)點組成，父節(jié)點建立網絡，子節(jié)點通過掃描網絡加入父節(jié)點建立的網絡。子節(jié)點在網內時將周期性地向父節(jié)點上傳溫度，光強度以及濕度數(shù)據。子節(jié)點與父節(jié)點都具有掉網重連功能。

2.1.1 信息采集模塊

信息采集模塊如圖3所示，由溫度采集電路，濕度采集電路和光強度采集電路組成，完成環(huán)境參數(shù)采集的功能。在溫度采集電路中，選用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器測量溫度，該傳感器精度高，反應靈敏，且與MSP430F5418連接簡單。MSP430F5418通過時序讀寫控制，讀出DS18B20當前采集的溫度。濕度與光強度采集均選用電阻式傳感器，傳感器將濕度與光照信號轉化為電壓信號，通過模數(shù)轉換及運算后變?yōu)閿?shù)字信號。在濕度采集電路中，電阻式濕度傳感器型號為CHR_01。

2.1.2 信息顯示與語音播報

信息顯示與語音播報模塊由按鍵液晶模塊與ISD4004語音模塊構成。液晶屏顯示環(huán)境信息和按鍵的操作提示，操作者通過按鍵控制語音播報等功能。語音芯片通過SPI接口與主控單片機MSP430F5418通信，由于芯片的通信協(xié)議SS管腳并未完全符合標準四線SPI協(xié)議，因此，程序設計時采用三線SPI模式同時模擬控制SS管腳的電平變化。該語音芯片可錄放8至16分鐘語音，3V 單電源工作，采用CMOS 技術，內含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。

2.2 通信設計

本系統(tǒng)通信包括傳感器節(jié)點之間的通信、ZigBee網絡與服務器的通信、服務器和終端應用間的通信。網關完成ZigBee網絡與互聯(lián)網間的轉換，使父節(jié)點和子節(jié)點的環(huán)境數(shù)據上傳至服務器。服務器和終端應用通過互聯(lián)網進行數(shù)據傳輸。傳感器節(jié)點間的無線通信模塊選用TI公司生產的CC1120 ，其與MSP430F5418的通信方式和語音芯片ISD4004相同，均用三線SPI并模擬CSn管進行通信。經過該通信過程

服務器由一臺遠程電腦擔任，不僅需要負責記錄從傳感器網絡傳回的數(shù)據，還需要回應應用端的數(shù)據請求。終端應用設計為Android程序，用戶通過手機或平板電腦接入移動網絡隨時掌握被測網絡的環(huán)境信息。

三、軟件設計

環(huán)境檢測系統(tǒng)軟件介紹傳感器網絡節(jié)點的程序設計。傳感器節(jié)點主程序流程圖如圖5所示，MSP430F5418上電后初始化射頻、語音芯片和顯示屏等模塊。接著開啟傳感器獲取環(huán)境信息的中斷，再運行ZigBee網絡的相關程序，通過ZigBee網絡和網關轉換將環(huán)境信息上傳至服務器上。

3.1 數(shù)據采集處理

傳感器采集的溫度，濕度和光強度信息存在一定的波動，對采集到的數(shù)據進行再處理使環(huán)境信息變得更穩(wěn)定，提高其可讀性。傳感器溫度處理程序流程圖，在定時器中斷中，通過DS18B20讀取一次溫度數(shù)據，選取最近讀取的20次溫度數(shù)據，首先溫度數(shù)據進行去噪濾波，再對剩余的溫度數(shù)據求平均值。所得的均值即視為當前溫度值。

濕度信息在濕度AD中斷函數(shù)中處理。濕敏電阻將環(huán)境的濕度信息轉換為電壓信號，由MSP430F5418通過AD采樣讀取該值。每一次AD采樣后，先判斷與前一次處理后的濕度數(shù)據的差異，若差異高于一個門限值，則判定為出錯數(shù)據，舍棄。若判定為正確濕度信息，則對最近5次判斷的濕度信息求平均，該平均值被認定為當前環(huán)境的濕度值。

光強度的采集和濕度采集相似，通過光敏電阻將光強信號轉變?yōu)殡娦盘枺儆蒑SP430F5418經AD采樣并處理后得出光強信息。不同的是，光強信息的變化率比溫度和濕度大，采樣所得的信息不超過最大光強閾值都被判定為當前光強度值，提高了反應靈敏度，但減小了穩(wěn)定度。

3.2 傳感器網絡設計

傳感器網絡采用ZigBee網絡技術，將節(jié)點分為父節(jié)點和子節(jié)點。如果傳感器節(jié)點接收到父節(jié)點發(fā)送的連接成功信息，則會發(fā)送一個成功傳輸響應信息以確認接收，然后傳感器節(jié)點MAC層將通過MLME_ASSOCIATE.confirm原語通知網絡層，父節(jié)點接收到傳感器節(jié)點的成功傳輸響應信息后，將通過MLME_COMM_STATUS.indication原語將傳輸成功的響應狀態(tài)發(fā)送給網絡層。

通過已經組建好的ZigBee網絡，父節(jié)點便能很方便地與傳感器節(jié)點進行無線通信，通過指令可控制子節(jié)點向父節(jié)點周期性地上傳數(shù)據，通過父節(jié)點可控制傳感器節(jié)點，如停止采集數(shù)據，發(fā)送數(shù)據等。

3.3 人機交互設計

本系統(tǒng)人機交互設計由終端手機Android程序和傳感器節(jié)點處的人機交互模塊組成。Android程序實現(xiàn)終端信息的顯示和命令的交互，傳感器節(jié)點處的人機交互通過簡單的矩陣按鍵、LCD和語音模塊組成。LCD屏顯示按鍵的操作提示，通過按鍵可以控制語音播報的內容。語音播報是將所需要的語音數(shù)據先導入語音芯片，并記錄每一語音數(shù)據的地址。當需要播報該語音數(shù)據的時候，通過查表法導出語音數(shù)據，通過功放電路播放語音。

四、總結與展望

在誤差在允許的范圍內，我們已完成環(huán)境信息的采集與顯示，并可進行語音播報。現(xiàn)階段已加入ZigBee網絡對傳感器網絡進行管理，且通過該網絡可將各個節(jié)點的環(huán)境信息周期性地上傳至服務器。我們正致力于開發(fā)遠程應用端Android程序，在實時顯示傳感器目前的環(huán)境信息的基礎上增加更多的功能。

參 考 文 獻

[1] ZigBee Alliance. ZigBee specification 2008[DB/OL]. [2012-8-10]. http：//www.ZigBee.org

[2] 沈建華，楊艷琴，瞿驍. MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用 [M]. 北京：清華大學出版社，2004

[3] 趙廣林. 新型語音芯片應用手冊[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008

[4] 樊尚春. 傳感器技術及應用[M]. 第2版. 北京：北京航天航空大學出版社，2010

[5] 韓九強，周杏鵬. 傳感器與檢測技術[M]. 北京：清華大學出版社，2010