基于ZigBee與因特網的低功耗智能樓宇環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

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(huán)境監(jiān)測混合傳感器網絡系統(tǒng)方案，完成了小型ZigBee網絡的搭建。監(jiān)測網絡有傳感器、協(xié)調器和上位機軟件組成，其中，傳感器節(jié)點采集環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過Internet網絡傳送到遠端上位機監(jiān)測平臺。系統(tǒng)實現(xiàn)了對環(huán)境溫濕度、煙霧、火焰等參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測，傳感器測量數(shù)據(jù)準確可靠，滿足預期效果。

關鍵詞：傳感器網絡；數(shù)據(jù)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(tǒng)的無線傳感器監(jiān)測網絡具有監(jiān)測距離近，監(jiān)測效果容易受環(huán)境因素影響。無線與有線結合的混合式傳感器監(jiān)測網絡具有部署靈活，監(jiān)測范圍廣，受環(huán)境影響小的特點[1]。

ZigBee技術具有功耗低、實現(xiàn)簡單等特點，特別適合要求傳輸距離近、數(shù)據(jù)率低的應用場景[2-3]。德州儀器（TI）推出的CC2530片上系統(tǒng)是低功耗、高可靠和組網簡單的無線傳感器網絡系統(tǒng)優(yōu)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(shù)據(jù)傳輸[4]。

以ZigBee與Internet技術相結合的混合式智能樓宇環(huán)境監(jiān)測網絡，實時監(jiān)測樓宇環(huán)境內的溫度、濕度、煙霧、火警等參數(shù)。傳感器節(jié)點將采集到的信息以無線傳輸?shù)絽f(xié)調器，協(xié)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(tǒng)能對目標環(huán)境的溫度、濕度、煙霧和火警信息等進行實時監(jiān)測并預警。

2 系統(tǒng)結構設計

無線傳感器網絡節(jié)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(tǒng)級芯片，并配以支持輔助電路組成，系統(tǒng)軟件主要包括采集節(jié)點、協(xié)調器節(jié)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(huán)境監(jiān)測網絡中，數(shù)據(jù)采集傳感器節(jié)點負責采集環(huán)境數(shù)據(jù)、存儲、處理，然后進行封裝并以無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)至協(xié)調器節(jié)點，網絡協(xié)調器節(jié)點匯集各傳感器節(jié)點采集的環(huán)境數(shù)據(jù)并以Internet有線方式傳輸數(shù)據(jù)至遠端上位機軟件平臺，最有由上位機軟件存儲、顯示環(huán)境參數(shù)值。系統(tǒng)網絡結構如圖1所示。

環(huán)境監(jiān)測網絡系統(tǒng)設計中采用德州儀器公司開發(fā)的CC2530片上系統(tǒng)集成芯片，其優(yōu)化實現(xiàn)了ZigBee無線網絡。CC2530系統(tǒng)級芯片組網方式靈活，成本低廉，系統(tǒng)支持32MHz和32.768KHz兩種工作頻率，易于實現(xiàn)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(tǒng)采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集傳感器將采集數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)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(shù)據(jù)傳輸至遠端上位機軟件平臺[6]。

3 系統(tǒng)軟件設計與驗證

數(shù)據(jù)采集節(jié)點負責實際采集監(jiān)控數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)完整性，如果數(shù)據(jù)完整，則發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)測終端節(jié)點，并由終端節(jié)點通過無線方式發(fā)送給網絡協(xié)調器，最終通過Internet網絡傳輸給上位機軟件。數(shù)據(jù)采集程序框圖如圖7所示。采集終端節(jié)點程序框圖如圖8所示，終端節(jié)點負責初始化節(jié)點，并接收采集節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點。網絡協(xié)調器節(jié)點負責初始化網絡，接收終端節(jié)點數(shù)據(jù)，并通過Internet網絡傳輸給遠端的上位機軟件。協(xié)調器端節(jié)點程序框圖如圖8所示。

監(jiān)控端上位機軟件負責處理、顯示采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)異常產生報警指令，啟動監(jiān)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(huán)境監(jiān)測網絡設計符合要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，響應速度快。同時系統(tǒng)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(huán)境監(jiān)測技術的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢的探討[J].資源節(jié)約與環(huán)保， 2013（2）：39-40.

[2] 司海飛， 楊忠， 王珺. 無線傳感器網絡研究現(xiàn)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(fā)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(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 現(xiàn)代電子技術， 2017， 40（23）：15-17.

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

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