基于ZigBee與因特網的低功耗智能樓宇環境監測系統

王佳峰 王玉明 胡斌 姚遠 黃麗華 嚴繼利

摘要：該文研究應用ZigBee技術，結合Internet網絡，提出了以CC2530芯片為核心的智能樓宇環境監測混合傳感器網絡系統方案，完成了小型ZigBee網絡的搭建。監測網絡有傳感器、協調器和上位機軟件組成，其中，傳感器節點采集環境監測數據，并通過Internet網絡傳送到遠端上位機監測平臺。系統實現了對環境溫濕度、煙霧、火焰等參數的連續監測，傳感器測量數據準確可靠，滿足預期效果。

關鍵詞：傳感器網絡；數據采集；智能樓宇

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0186-03

1 引言

傳統的無線傳感器監測網絡具有監測距離近，監測效果容易受環境因素影響。無線與有線結合的混合式傳感器監測網絡具有部署靈活，監測范圍廣，受環境影響小的特點[1]。

ZigBee技術具有功耗低、實現簡單等特點，特別適合要求傳輸距離近、數據率低的應用場景[2-3]。德州儀器（TI）推出的CC2530片上系統是低功耗、高可靠和組網簡單的無線傳感器網絡系統優秀解決方案。同時，Internet網絡技術成熟，部署成本低，適合遠距離數據傳輸[4]。

以ZigBee與Internet技術相結合的混合式智能樓宇環境監測網絡，實時監測樓宇環境內的溫度、濕度、煙霧、火警等參數。傳感器節點將采集到的信息以無線傳輸到協調器，協調器再通過Internet有線網絡將采集到的信息傳送給遠端上位機軟件，系統能對目標環境的溫度、濕度、煙霧和火警信息等進行實時監測并預警。

2 系統結構設計

無線傳感器網絡節點一般由傳感器、微處理器、無線通信、電源等模塊構成。本設計網絡構成部分中微處理器和無線通信模塊采用德州儀器公司CC2530系統級芯片，并配以支持輔助電路組成，系統軟件主要包括采集節點、協調器節點和上位機等軟件。在ZigBee與Internet技術相結合的混合式智能樓宇環境監測網絡中，數據采集傳感器節點負責采集環境數據、存儲、處理，然后進行封裝并以無線方式發送數據至協調器節點，網絡協調器節點匯集各傳感器節點采集的環境數據并以Internet有線方式傳輸數據至遠端上位機軟件平臺，最有由上位機軟件存儲、顯示環境參數值。系統網絡結構如圖1所示。

環境監測網絡系統設計中采用德州儀器公司開發的CC2530片上系統集成芯片，其優化實現了ZigBee無線網絡。CC2530系統級芯片組網方式靈活，成本低廉，系統支持32MHz和32.768KHz兩種工作頻率，易于實現低功耗網絡設計。CC2530配合很少的外圍元件及其支持電路就可以組成無線通信模塊。CC2530外圍電路如圖2所示。

系統采集數據傳輸采用無線與有線相接結合方式，使用Prolific 公司生產的一種高度集成的RS232-USB接口轉換器作為無線與有線轉換部件，數據采集傳感器將采集數據以無線方式發送至接口轉換器，接口轉換器通過Internet接口以有線方式將采集數據傳輸至遠端上位機軟件平臺[6]。

3 系統軟件設計與驗證

數據采集節點負責實際采集監控數據，并判斷數據完整性，如果數據完整，則發送數據到監測終端節點，并由終端節點通過無線方式發送給網絡協調器，最終通過Internet網絡傳輸給上位機軟件。數據采集程序框圖如圖7所示。采集終端節點程序框圖如圖8所示，終端節點負責初始化節點，并接收采集節點數據發送給協調器節點。網絡協調器節點負責初始化網絡，接收終端節點數據，并通過Internet網絡傳輸給遠端的上位機軟件。協調器端節點程序框圖如圖8所示。

監控端上位機軟件負責處理、顯示采集數據，數據異常產生報警指令，啟動監控端報警器。實驗結果演示如圖10所示。

4 總結

ZigBee與Internet技術相結合的混合式智能樓宇環境監測網絡設計符合要求，系統穩定性好，響應速度快。同時系統還具有低成本、易部署、易擴展等特點。

參考文獻：

[1] 樵地英.我國環境監測技術的現狀與發展趨勢的探討[J].資源節約與環保， 2013（2）：39-40.

[2] 司海飛， 楊忠， 王珺. 無線傳感器網絡研究現狀與應用[J]. 機電工程， 2011， 28（1）：16-20.

[3] 李建中， 高宏. 無線傳感器網絡的研究進展[J]. 計算機研究與發展， 2008， 45（1）：1-15.

[4] 王超， 劉宏立， 徐琨. 不同信道下無線傳感網絡物理層能耗性能分析[J]. 計算機工程與應用， 2016， 52（12）：112-116.

[5] 羅瀚. 基于ZigBee技術的溫室無線傳感器網絡環境監測系統研究[D]. 吉林大學， 2013.

[6] 張釗， 李瑋， 辛曉平. 基于無線傳感網絡的草原氣象自動監測系統設計[J]. 現代電子技術， 2017， 40（23）：15-17.

[7] 艾麗， 聶丹鳳. 基于ZigBee的無線環境監測系統[J]. 微處理機， 2016， 37（4）：87-89.

【通聯編輯：代影】