基于ARM和WSN技術的環境信息檢測系統設計

高 瑞，張 雄，楊延寧，王蕭揚

（延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000）

0 引 言

在現代工業、農業、商業等領域中，無線數據監測技術的應用越來越廣泛。禽類生活環境復雜且多變，使得現有的環境監測系統限制了養殖業的發展。針對無線環境監測領域中禽舍環境信息監測的多樣化，設計一種智能環境監測系統尤為重要，通過多點實時采集環境數據，并控制設備及時改善室內環境，達到科學養殖的目的[1]。無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks， WSN）可通過各種傳感器實時感知和采集各種監測對象的信息，并將采集到的信息以多跳無線網絡傳送方式傳送給用戶[2]。系統的數據處理、存儲等部分在以ARM為核心的開發平臺上進行，具有豐富的軟硬件資源。

1 系統總體方案設計

系統分為信息采集模塊、數據通信模塊和上位機監控模塊三部分。信息采集模塊主要是對溫度，濕度，NH3濃度的采集；數據通信模塊包含路由器節點和協調器節點，將采集到的數據通過路由器節點以無線多跳的方式發送給協調器，完成信息數據傳輸；上位機監控模塊主要由圖形用戶界面和數據庫組成，通過界面對接收到的數據進行管理。系統設計總體框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 信息采集模塊

在無線通信技術中，WSN技術主要有Bluetooth，WiFi，UWB，NFC和ZigBee等。在傳感器網絡應用中， ZigBee具有技術容量大、組網能力強、成本較低的優點[3]，雖然傳輸速度不及其他無線通信技術，但本文系統所設計的環境監測網絡數據流量范圍在20～250 kbit/s之間，足以滿足系統需求，所以選擇ZigBee技術組建環境監測系統的無線傳感器網絡。

圖1 系統設計總體框圖

信息采集模塊主要包括主控制器和用于采集禽舍環境中溫度，濕度，NH3濃度的傳感器。系統選用TI公司生產的CC2530作為ZigBee節點的主控制器，負責WSN的建立、環境信息的采集和傳輸。CC2530是一款完全兼容8051內核同時支持IEEE 802.15.4協議的無線射頻單片機[4]。溫度傳感器和濕度傳感器采用集成的數字式溫濕度傳感器SHT10，供電電壓為直流5 V。NH3濃度傳感器采用MQ-X型氣體傳感器模塊，采集監測區域內有害氣體NH3的濃度。氣體傳感器模塊原理如圖2所示[5]。

圖2 氣體傳感器模塊原理圖

2.2 數據通信模塊

在本設計中，ZigBee模塊分為處于ZigBee網絡底層的EndDevice模塊、數據中轉的Router模塊和網絡頂層的Coordinator模塊。由采集禽舍中環境信息參數的傳感器檢測節點、提供無線信息路由轉發功能的路由器節點和負責網絡發起、參數設定、數據管理的協調器節點共同構成無線傳感器網絡[6]。Coordinator模塊主要負責接收傳感器節點發送的無線送，同時作為數據終端設備DTE通過RS 232C與TTL電平和邏輯關系的轉換，再次使用MAX232芯片進行電平轉換，與嵌入式網關（ARM11）通信。

2.3 上位機監控模塊

為滿足系統設計要求，保證上位機正常運行，系統采用低功耗、低成本、接口豐富的以Samsung公司生產的ARM11微處理器S3C6410為核心的嵌入式開發平臺[7]。使用可視化編程軟件編寫，結合SQLite存儲傳感器數據，在用戶界面顯示傳感器數據，實時監測并存儲數據，便于后續管理與查看分析。嵌入式網關硬件結構如圖3所示。

圖3 嵌入式網關硬件結構框圖

3 軟件設計

系統的軟件設計主要包括無線傳感網絡軟件開發和上位機軟件開發兩部分。無線傳感網絡開發用于采集環境信息，組成ZigBee網絡，實現采集終端節點與協調器的通信，主要包括End Device節點軟件設計，Router節點軟件設計，Coordinator節點軟件設計[8]。上位機軟件開發主要包含圖形用戶界面和數據庫開發，工作人員通過圖形用戶界面直觀地讀取數據，數據庫進行數據存儲，便于查看和分析歷史數據。

3.1 無線傳感網絡軟件開發

在本文所構建的ZigBee無線傳感器網絡中，Coordinator節點上電后，首先初始化硬件和協議棧，然后通過檢測和掃描信道能量，從中選出能量最強的空閑信道建立網絡[9]。成功建立網絡后，進入偵聽狀態，若有設備申請入網則允許其加入并為之分配16位的網絡地址，同時建立綁定文件。若沒有，則Coordinator串口還可利用DMA的方式接收嵌入式網關（ARM11）發來的命令數據，并將命令數據無線發送給End Device；若Coordinator節點收到End Device節點發來的無線數據，則直接將該數據通過RS 232串口發往嵌入式網關繼續處理。Coordinator節點的軟件設計流程如圖4所示。

Router節點在本系統中僅僅負責子節點入網請求和轉發數據/命令。End Device節點上電初始化后，開始尋找可加入的網絡信道，并向Coordinator或Router節點發送入網申請：若成功入網，Router或Coordinator節點會給其分配一個16位的網絡地址；若入網失敗，則繼續向Router或Coordinator節點發送入網請求，直到成功入網。成功入網后，偵聽網絡信息，查詢是否接收到Coordinator節點的無線數據。當接收到解析該命令數據時，若是數據采集命令，則啟動相應的傳感器，獲取傳感器數據并通過ZigBee網絡將數據上傳到Coordinator節點；若是其他控制命令，則根據命令類型執行相應操作[10]。End Device節點的軟件設計流程如圖5所示。

圖4 Coordinator節點設計流程圖

圖5 End Device節點設計流程圖

3.2 上位機軟件設計

上位機主要由一個移植了嵌入式Web服務器和嵌入式數據庫SQLite的ARM11平臺構成，連接著外部Internet和內部負責采集環境信息的ZigBee無線傳感器網絡，從而實現Web瀏覽器與WSN之間的信息交互。環境監測現場的數據通過ZigBee網絡Coordinator上傳到ARM網關中，并選用SQLite嵌入式數據庫對采集到的數據進行管理和維護。

4 實驗測試與結果分析

系統硬件實物如圖6所示。最左邊為ARM網關，ARM通過串口0連接到上位機，上位機通過ARM系統終端打印調試信息，Coordinator節點與ARM網關的串口1相連。End Device節點由電池供電，Router和Coordinator節點均由5V電源供電。三個節點組成了ZigBee無線傳感器網絡。

圖6 系統硬件實物圖

為驗證ZigBee無線傳感器網絡和嵌入式網關數據傳輸、存儲和顯示的正確性，從ARM網關的Web服務器中取出監測區域內A～E 5個監測點監測12 h內有害氣體NH3濃度隨時間變化的情況，見表1所列。

由表1可知，監測點A～E有害氣體NH3的平均濃度如圖7所示。

圖7 監測點A～E有害氣體NH3的平均濃度

由圖7可知，監測點C和E的NH3濃度值明顯高于其他監測點。結合監測區域通風條件分析，監測點C和E處于監測區域內部通風條件較差的地方，導致NH3濃度較高，所以通風條件對有害氣體濃度有重要影響。

在12 h內監測區域各監測節點的溫度變化范圍為16.0～23.5 ℃，濕度變化范圍為48～64%RH，溫濕度基本符合要求。

5 結 語

針對傳統環境信息監測系統存在安裝維護復雜、多點布線困難等問題，本文設計開發了一種基于ARM和WSN技術的環境信息檢測系統，主要用于解決禽舍養殖不易實時監測的問題。經過測試驗證，該系統正常工作，能夠實時準確地檢測禽舍環境信息，從而實現智能養殖。

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