無線環境監測節點的設計與實現

棗莊學院信息科學與工程學院 崔丹丹 劉玉潔 單承剛

0 引言

本系統采用的ZigBee技術是一種基于IEEE 802.15.4協議標準的近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。本文介紹了一種基于無線傳感器網絡技術的環境監測系統。其采用無線傳感器網絡技術（ZigBee）實現數據的采集與控制功能。其監測節點實現對環境溫度、光照度、火焰和濕度的數據采集，網關與上位機都可以對數據進行實時監測與反控。

1 系統結構

系統通過STM32F107處理器實現了uC/OS-2-2操作系統的移植，系統采用的是ZigBee數據傳輸技術。系統利用CC2530構建ZigBee傳感器監測節點，以Cortex-M3處理器構建嵌入式網關。系統由路由器節點作為監測節點，通過路由節點上的傳感器采集數據，并傳輸至協調器，協調器通過串口傳輸數據最后匯聚Cortex網關。

2 硬件設計

2.1 監測節點硬件架構設計

系統是基于ZigBee技術的無線環境監測系統。CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應用的一個真正的片上系統（Soc）。它能以非常低的成本建立強大的網絡節點。其硬件邏輯結構主要是系統監測節點對數據的采集、轉換以及相應的傳輸顯示過程。其具體監測節點硬件結構如圖 1所示。

圖1 監測節點硬件結構圖

2.2 傳感器模塊

2.2.1 溫濕度傳感器

系統選用溫濕度傳感器SHT10，其中SHT10的供電電壓為2.4V～5.5V。SHT10的兩線串行接口在傳感器信號讀取和電源功耗方面都做了優化處理，其總線類似I2C總線但并不兼容I2C總線。溫度傳感器是使用IO口模擬類I2C的過程進行數據讀取的。SHT10溫濕度傳感器可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。溫濕度傳感器電路圖如圖2所示。

圖2 溫濕度傳感器電路圖

2.2.2 光照傳感器

光照傳感器中內置了高精度的16bit A/D轉換器，無需外部器件，可以直接輸出照度值。光照傳感器電路圖如圖3所示。

圖3 光照傳感器電路圖

2.2.3 火焰傳感器

火焰傳感器利用紅外線對對火焰敏感的特點，使用特制的紅外線接受管來檢測火焰，然后把火焰的亮度轉化為高低變化的電平信號，輸入到中央處理器中，中央處理器根據信號的變化做出相應的程序處理。

3 監測節點軟件設計

3.1 OSAL工作原理

OSAL是以實現多任務為核心目標的系統資源管理機制。ZSt ack協議棧中包括了：操作系統抽象層OSAL的協議棧調度程序。OSAL通過OSAL_ADD_TASK添加任務到任務表中，形成一個任務鏈表，這個任務鏈表是以任務的優先級先后排序的。

3.2 監測節點主程序

節點程序采用OSAL的任務運行機制，當系統開始運行時，首先對各節點硬件進行初始化，然后對各個層進行初始化并注冊各節點性質，最后由協調器組建網絡，路由節點申請入網。網絡建立成功后，各節點便進入OSAL操作系統循環，然后根據情況調用相應的事件處理函數。監測節點主程序流程如圖4所示。

圖4 監測節點主程序流程圖

3.3 傳感器數據采集

3.3.1 溫濕度傳感器采集程序

溫濕度傳感器中的探頭直接使用IIC接口進行控制，本實驗使用CC2530讀取溫濕度傳感器SHT10的溫度和濕度數據，并將采樣到的數據轉換然后再LCD顯示。其中對溫濕度的讀取是利用CC2530的I/O模擬一個類IIC的過程。具體數據的電路圖如圖5所示。

圖5 溫濕度傳感器數據采集流程圖

3.3.2 光照傳感器的硬件連接及數據采集

通過CC2530自帶的光照傳感器接收到的環境的光強產生的電壓變化，傳給協調器，通過A/D轉換將光照值轉換成具體數值，若參數在設定范圍（0-100）內，將收集到的光照數據傳送給網關和上位機；若不在范圍（0-100）內，蜂鳴器報警。

3.3.3 火焰傳感器的硬件連接及數據采集

火焰傳感器的數據采集是通過檢測傳感器端口的狀態的變化來實現的。端口狀態為高電平時為有火焰，低電平無火焰，通過協調器檢測端口狀態，將數值傳至網關，網關將數值通過串口傳給PC機，利用PC機軟件將數值實時顯示出來。

4 結語

本文介紹了基于無線傳感器網絡技術的環境監測系統。系統的核心技術是ZigBee技術，ZigBee技術是一種低數據傳輸速率的無線個域網。設備按照各自作用的不同可以分為協調器節點、路由器節點和終端節點。其中ZigBee網絡協調器是整個網絡的中心，它的功能包括建立、維持和管理網絡，分配網絡地址等。ZigBee路由器主要負責路由發現、消息傳輸、允許其他節點通過它接入到網絡。ZigBee終端節點是通過ZigBee協調器或ZigBee路由器接入到網絡中，ZigBee終端節點主要負責數據采集或控制功能，但不允許其他節點通過它接入到網絡中。

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