基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 及Zigbee技術(shù)課程實(shí)驗(yàn)裝置的研究

陶苗苗

【摘要】? ? 針對高校無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及Zigbee技術(shù)的課程，設(shè)計(jì)了教學(xué)案例基于Zigbee技術(shù)的氣體監(jiān)測系統(tǒng)，可方便、精確地監(jiān)測環(huán)境中的氣體濃度，該系統(tǒng)充分利用Zigbee技術(shù)短距離、低功耗、低成本的特點(diǎn)。系統(tǒng)以CC2530為控制核心，采集氣體濃度信息、發(fā)送并實(shí)時(shí)顯示。通過測試，節(jié)點(diǎn)模塊能準(zhǔn)確地檢測氣體濃度，且節(jié)點(diǎn)間可順利實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

【關(guān)鍵詞】? ? Zigbee? ? 無線網(wǎng)絡(luò)? ? 氣體濃度監(jiān)測? ? CC2530

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， WSN）本身便是分布式傳感網(wǎng)絡(luò)的一種，其末梢能夠很好的對外界傳感器進(jìn)行感知和檢查。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身便是通過無線通信技術(shù)把傳感器節(jié)點(diǎn)以自由式進(jìn)行組織與結(jié)合進(jìn)而形成的網(wǎng)絡(luò)形式，其組建方式自由、靈活。

針對高校開設(shè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程及ZigBee技術(shù)相關(guān)課程實(shí)踐的需要，設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee技術(shù)的氣體監(jiān)測系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境中的有害氣體濃度，預(yù)防安全事故。該系統(tǒng)結(jié)合單片機(jī)、氣體傳感器、無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，利用傳感器檢測氣體濃度，單片機(jī)分析處理數(shù)據(jù)，并結(jié)合Zigbee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將檢測結(jié)果傳輸?shù)娇刂剖遥皶r(shí)通知管理人員。當(dāng)有毒有害氣體泄漏時(shí)能及時(shí)將報(bào)警信息傳遞到控制室，便于管理人員采取措施補(bǔ)救，盡量地減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

一、系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)由四部分組成：氣體檢測、終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)。系統(tǒng)檢測氣體濃度信息，并通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將信息傳送給上位機(jī)。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)行協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的建立，并將節(jié)點(diǎn)加入進(jìn)來，終端節(jié)點(diǎn)能夠發(fā)現(xiàn)并加入到網(wǎng)絡(luò)中來，網(wǎng)絡(luò)將完成信息的采集、處理和通信功能。終端節(jié)點(diǎn)與傳感器相連，采集氣體濃度、預(yù)處理、發(fā)送;協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)相連，通過RS232將接收到的信息發(fā)送給上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。

二、硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，方便以后增加功能和升級，增強(qiáng)系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性。該系統(tǒng)主要包含氣體檢測模塊、Zigbee節(jié)點(diǎn)模塊（終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)）、上位機(jī)顯示模塊三部分，主要由CC2530芯片、MQ系列傳感器和電腦等組成。

2.1 氣體檢測模塊

MQ系列傳感器屬于半導(dǎo)體氣敏傳感器，敏感材料本身的活性很高，一般都是金屬氧化物半導(dǎo)體，具有廣泛的探測范圍、選擇性好、靈敏度高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。可用于家庭和工廠的氣體檢測，適用于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等多種氣體的探測。MQ型傳感器由微型陶瓷管、敏感層、測量電極和加熱器等構(gòu)成，傳感器電阻隨著氣體濃度的增加而減少，相應(yīng)的輸出電壓則會(huì)變大[3]。若是傳感器環(huán)境中有待檢測的氣體，傳感器電導(dǎo)率也會(huì)隨著氣體濃度的不斷增加而不斷的加大。通過較為簡單的電路便能夠把電導(dǎo)率變化轉(zhuǎn)變成為和氣體濃度對應(yīng)的信號并輸出出去。

2.2 Zigbee節(jié)點(diǎn)模塊

ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)主要由協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)3種節(jié)點(diǎn)組成。協(xié)調(diào)器是啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò);路由節(jié)點(diǎn)是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包;終端節(jié)點(diǎn)是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在剛剛進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建立的時(shí)候，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)往往只有一個(gè)，其需要做好發(fā)起網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定參數(shù)、管理和維護(hù)信息相關(guān)的工作，也能夠協(xié)助進(jìn)行應(yīng)用層和安全層綁定。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由處理器模塊、RF前端、電源管理模塊及各外部接口等組成。終端節(jié)點(diǎn)是具體執(zhí)行的數(shù)據(jù)收集傳送的設(shè)備，無法連接到其他節(jié)點(diǎn)并且不能傳送其他節(jié)點(diǎn)的消息，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最后一點(diǎn)，只能直接向協(xié)調(diào)器返回?cái)?shù)據(jù)。

CC2530芯片是TI公司推出的Zigbee/IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)級芯片，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)建立的成本比較低，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身也比較強(qiáng)大。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強(qiáng)大的功能[4]。CC2530 具有不同的運(yùn)行模式，這也確保了其能夠滿足超低功耗要求系統(tǒng)。運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)間也能夠降低能源消耗。以CC2530為核心，配合不同的外圍電路即可構(gòu)成類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)）。

2.3 顯示模塊

終端節(jié)點(diǎn)采集信息顯示在LCD上，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過RS232與PC機(jī)相連顯示信息。

三、軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境下，采用TI-Zs tack協(xié)議棧，用C語言編寫程序，并編譯、調(diào)試。實(shí)現(xiàn)的功能有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、發(fā)送和顯示等。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的工作流程圖分別如下圖1和圖2所示。

四、系統(tǒng)測試

將程序分別下載到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器連接PC機(jī)，打開串口調(diào)試助手，設(shè)置相應(yīng)的COM口及波特率;帶LCD顯示的終端節(jié)點(diǎn)與氣體傳感器相連檢測氣體濃度信息。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)后，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間可按照Zigbee協(xié)議正常通信，終端節(jié)點(diǎn)采集信息顯示在LCD上并無線發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)無線接收到信息并發(fā)送給PC，顯示在串口調(diào)試助手界面上。根據(jù)以上測試，Zigbee數(shù)據(jù)發(fā)送和接收如圖3和圖4所示。

五、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了教學(xué)案例基于Zigbee技術(shù)的氣體監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Zigbee技術(shù)，以低成本、低功耗的CC2530為核心，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。該教學(xué)案例有助于學(xué)生更好地理解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與zigbee技術(shù)的應(yīng)用。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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[2] 張立， 劉奕君， 趙強(qiáng). 基于CC2530的重癥監(jiān)護(hù)病房環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制， 2014，22（8）： 2422-2424

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