基于校園環境監測的無線傳感器網絡節點設計

宋相慧 鄭瑩瑩

（廣東開放大學（廣東理工職業學院） 廣東省廣州市 510091）

良好的校園環境是師生生活學習的重要保障，做好校園環境監控也就非常必要的了。傳統的環境監測多采用有線系統，降低了系統的靈活性、可拓展性和可維護性，增加了成本；無線傳感器網絡的出現和發展為環境監測提供了極其便利的條件，其成本較低、安裝簡單，而且它能對環境的質量進行實時的監測，靈活性較高的[1]。根據校園實際情況，設計了一個校園環境監測系統，特別是無線傳感器網絡節點的設計，用此系統可以監測包括溫濕度、光照強度、空氣質量、PM2.5等參數，數據通過zigbee無線通信傳至匯聚節點，匯聚節點通過串口傳至管理中心。

1 系統結構

本系統用于監控校園環境，監控的指標包括光照度、溫濕度、空氣質量、PM2.5等，整體系統結構如圖1。系統包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。傳感器節點用于采集環境參數，通過無線傳輸的方式逐跳的把數據傳送給匯聚節點；匯聚節點接收感知節點發送過來的數據，并把收集到的數據轉發到管理節點，還可以發布管理節點的監測任務。用戶通過管理節點對系統進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據。

2 傳感器節點設計

傳感器節點由數據采集的感知模塊、數據處理和存儲模塊、無線通信模塊和節點供電的電源供給模塊4個部分組成，如圖2所示。

傳感器節點中數據處理與存儲模塊選用TI公司的CC2530F256片上系統[2]，其具有高性能、低功耗的8051微控制器內核，適應2.4GHz IEEE802.15.4的RF收發器，硬件支持CSMA/CA，具有8路輸入8位~14位ADC，具有2個支持多種串行通信協議的USART，21個通用I/O引腳。CC2530F256具有許多不同外設可以滿足連接不用種類傳感器的需求，可以使用串口連接PM2.5傳感器，使用IO口連接溫濕度、光照傳感器，使用ADC連接空氣質量傳感器。

2.1 傳感器模塊

傳感器節點中的傳感器模塊由傳感器、A/D轉換器組成，負責感知監控對象的信息。根據具體應用，本系統監測環境所選用傳感器有：

2.1.1 溫濕度傳感器

選用DHT11溫濕度傳感器，它是一款有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器，其精度濕度+-5%RH，溫度+-2℃，量程濕度20-90%RH，溫度0～50℃。DHT11采用單總線數據格式，DATA引腳用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，該引腳接CC2530主控模塊的P0.7引腳。

2.1.2 光照傳感器[3]

選用BH1750光照傳感器，其是一種兩線式串行總線接口的集成電路，可以根據收集的光線強度數據來進行環境監測，其具有1~65535 lx的高分辨率，可支持較大范圍的光強度變化。BH1750的SCL引腳與CC2530的P1.0引腳連接，SDA引腳與CC2530的P1.1引腳連接。

2.1.3 空氣質量傳感器

選用MQ-135傳感器。MQ135氣體傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其它有害氣體的監測也很理想，可檢測多種有害氣體，氣體敏感元件測試濃度范圍：10 to 1000ppm。

2.1.4 PM2.5傳感器

選用PMS5003激光傳感器，其是一款基于激光散射原理的通用顆粒物濃度傳感器，可測量PM1.0、PM2.5、PM10的值，數據通過UART串口直接輸出，PMS5003激光傳感器與CC2530通過串口連接。

圖3：電源供給模塊

圖4：協調器工作流程

圖5：傳感器節點工作流程

2.2 電源供給模塊

一般傳感器節點是由電池供電，電池耗盡節點失效，為了延長節點的使用壽命，本系統使用鋰電池與太陽能供電相結合方式給節點供電，實現能量的自給自足。如圖3所示，電源模塊主要由太陽能光伏電池板和鋰電池組成[4][5]。選用功率為5V/6W太陽能電池板發電，USB接口輸出；鋰電池充放電模塊通過Micro-USB接口連接太陽能電池板，經過充電保護電路的升壓保證了鋰電池的充電電壓，放電時，經過放電保護電路的穩壓恒流產生5V/500mA的輸出。太陽能供電模塊支持邊充電邊放電，在白天有日照時節點通過太陽能進行供電，并使節點中鋰電池保持充電狀態；在晚上或陰雨天，節點通過鋰電池給各個模塊供電，維持節點的正常工作。

3 系統軟件設計

系統軟件包括傳感器節點軟件、協調器節點軟件、管理中心軟件。傳感器節點和協調器節點都采用CC2530結合Z-Stack協議棧進行設計與開發，開發環境選用IAR集成開發環境。管理中心軟件使用C#和SQL2008開發。

Z-Stack是ZigBee協議棧，為開發者提供了大量的程序代碼和API函數接口，裝載在一個基于IAR開發環境的工程里；開發者在現有工程的基礎上進行修改，添加自己的應用程序，調用API函數，實現具體應用需求。整個Z-stack的主要工作流程，大致分為系統啟動，驅動初始化，OSAL初始化和啟動，進入任務輪循幾個階段。

協調器負責啟動網絡，是網絡中的第一個設備，協調器選擇一個信道和網絡ID創建網絡，并廣播這個信道和網絡號，傳感器節點啟動后掃描到周邊的網絡，向協調器發出加入網絡請求，協調器收到請求后允許節點入網，節點入網成功后向協調器節點發送采集的環境數據，協調器節點接收采集數據，上傳到管理節點[2][6]。協調器節點工作流程如圖4所示，傳感器節點工作流程如圖5所示。

4 結束語

本文設計的無線傳感器網絡節點基于Zigbee系統，節點是由太陽能電池板和鋰電池共同供電，節點不會由于電池沒電而失效，為系統的長期運行提供保障，節點連接的傳感器可以測量溫濕度、空氣質量等環境參數，系統實現起來高效、低成本，在校園環境監測方面可擴展性強。