基于ZigBee的溫濕度數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李永成 ，凌 青 ，吳 剛 ，陳 雷 ，秦琳琳

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系，安徽 合肥 230027；2.中國(guó)人民解放軍63895部隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 454750）

溫濕度監(jiān)測(cè)被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如溫室、大棚、礦井等場(chǎng)所都會(huì)對(duì)環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證生產(chǎn)要求或植物的最優(yōu)生長(zhǎng)條件。如果采用人工定時(shí)測(cè)量，不但要耗費(fèi)大量的人力，而且很難做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，特別是在某些高溫場(chǎng)所還有可能造成安全事故。傳感器是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中重要的組成部分，但是隨之而來(lái)的是布線(xiàn)的復(fù)雜和施工的困難，大量的數(shù)據(jù)線(xiàn)纜還存在著短路和斷線(xiàn)的隱患，以及成本高、易老化等問(wèn)題，這都給系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)增加了難度。無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、使用方便、擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。其中被廣泛采用的是基于ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[1-3]。

ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞，該標(biāo)準(zhǔn)定義了RF射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信，并在IEEE 802.15.4協(xié)議（PHY層和MAC層）之上，添加了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）和安全服務(wù)提供層，如圖 1 所示[4]。

圖1 ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)

與其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)是距離短、復(fù)雜度低、自組織、功耗低、數(shù)據(jù)速率低、成本低和容量高，適用于對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集與控制[5]。為此，本文設(shè)計(jì)出一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)溫室溫濕度采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于ZigBee技術(shù)的溫室溫濕度數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)WSN進(jìn)行溫濕度信息的采集和發(fā)送，通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控軟件完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并且對(duì)溫室中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即在監(jiān)控終端設(shè)定溫濕度期望值區(qū)間，當(dāng)實(shí)際值超出該設(shè)定范圍時(shí)，監(jiān)控界面顯示報(bào)警。WSN是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。它通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)同完成對(duì)環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集，并將信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送到用戶(hù)終端[6]。網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，但允許存在若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)完成信息的采集。

本系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、采集節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控終端組成。監(jiān)控終端由一臺(tái)PC和監(jiān)控操作界面組成，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)與處理數(shù)據(jù)，并能夠在溫濕度超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)報(bào)警。傳感器節(jié)點(diǎn)由CC2430-F128芯片、溫濕度傳感器和電源模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集環(huán)境中的溫濕度信息和電壓值 （由于溫濕度傳感器需要最低2.7 V的供電，因此需要對(duì)電源電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)以便及時(shí)更換電源），并以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送至采集節(jié)點(diǎn)，以便進(jìn)行離線(xiàn)的分析和處理。采集節(jié)點(diǎn)由CC2430-F128芯片和電源板構(gòu)成，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，接收傳感器節(jié)點(diǎn)的采集信息，并通過(guò)RS232串口將信息發(fā)送到監(jiān)控終端。一個(gè)典型的基于ZigBee技術(shù)的溫濕度數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。共布設(shè)9個(gè)應(yīng)用于溫室采集溫濕度信息的傳感器節(jié)點(diǎn)。

2 硬件結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊、溫度傳感器、濕度傳感器和供電板構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊選用TI公司的CC2430/31-F128芯片，它具有低成本、低功耗的特點(diǎn)，內(nèi)嵌8 bit的增強(qiáng)型8051單片機(jī)、12 bit A/D轉(zhuǎn)換器和2.4 GHz的射頻收發(fā)器，在接收和發(fā)射模式下，電流消耗分別低于27 mA和25 mA[6]。

電源模塊由一塊供電板和兩節(jié)AA電池構(gòu)成，負(fù)責(zé)給板上的各硬件模塊供電。

溫度傳感器選用AD22103芯片，它的供電電壓為3.3 V，適合由電池供電的應(yīng)用環(huán)境。溫度量程為0℃～100℃。通過(guò)外接1 kΩ電阻，使其輸出端與 CC2430的P0.1口（內(nèi)嵌ADC的輸入端口為 P0.0～P0.7）相連，則傳感器的輸出電壓正比于溫度值。當(dāng)溫度為0℃時(shí)，其輸出電壓為0.25 V；當(dāng)溫度為100℃時(shí)，其輸出電壓為3.05 V。 溫度系數(shù)為（Vs/3.3 V）×28 mV/℃，其中 Vs為供電電壓。

濕度傳感器選用霍尼韋爾公司的HIH5030芯片，其工作電壓最低為 2.7 V，典型工作電流為 200 μA，適合于3 V電池供電系統(tǒng)。通過(guò)外接1 kΩ電阻，使其輸出端與CC2430的P0.0口相連，對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度的電壓輸出接近于線(xiàn)性。利用式（1）和（2）（溫度補(bǔ)償公式），即可由輸出電壓值求出當(dāng)前濕度值。

其中，式（1）的條件在 25℃環(huán)境下，式（2）中 T的單位為℃。

采集節(jié)點(diǎn)由一塊HFZ-SmartRF母板和CC2430芯片構(gòu)成。通過(guò)該母板為各設(shè)備下載程序，并通過(guò)RS232串口轉(zhuǎn)USB口與PC連接，用作無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控終端交互信息的網(wǎng)關(guān)。

3 軟件流程

基于ZigBee技術(shù)的溫濕度數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件流程可分為組網(wǎng)、綁定和采集并發(fā)送信息3個(gè)過(guò)程，如圖3所示。

圖3 ZigBee組網(wǎng)及綁定流程

3.1 組網(wǎng)

采集節(jié)點(diǎn)在初始化后確定自己的邏輯類(lèi)型為采集節(jié)點(diǎn)，由介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制 MAC（Media Access Control）層對(duì)工作于 2.4 GHz波段的 16個(gè)信道（11～26）進(jìn)行能量檢測(cè)掃描，以檢測(cè)可能的干擾。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層（NWK）接收到成功的能量檢測(cè)掃描結(jié)果后，以遞增的方式對(duì)所測(cè)得的能量值進(jìn)行信道排序，并且拋棄那些能量值超出了允許能量水平的信道，最終在允許選擇的信道中選擇一個(gè)編號(hào)最小的信道，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的個(gè)域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符PanID（Personal Area Network ID）。ZigBee設(shè)備對(duì)象然后由ZDO（ZigBee Device Object）層進(jìn)行設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的初始化，再由網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送網(wǎng)絡(luò)形成請(qǐng)求信息，由ZDO層返回網(wǎng)絡(luò)形成確認(rèn)信息，改變其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，得到其網(wǎng)絡(luò)地址，并將信息發(fā)給應(yīng)用層 APL（Application Layer），由 APL層處理函數(shù)完成建立網(wǎng)絡(luò)事件。

傳感器節(jié)點(diǎn)完成初始化后，在APL層確定自己的邏輯類(lèi)型為終端設(shè)備，由MAC層掃描當(dāng)前存在的網(wǎng)絡(luò)。若發(fā)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)存在，由網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求信息，由ZDO層返回網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)確認(rèn)信息，在ZDO層處理函數(shù)中由網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送網(wǎng)絡(luò)加入請(qǐng)求信息，再由ZDO層返回網(wǎng)絡(luò)加入確認(rèn)信息，并在其處理函數(shù)中更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，得到該節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址，并將該信息發(fā)送到APL層，由APL層處理函數(shù)完成加入網(wǎng)絡(luò)事件。

3.2 綁定

綁定是在兩個(gè)設(shè)備應(yīng)用層上的邏輯鏈接。它只能在互為“補(bǔ)充”的設(shè)備間被建立，即當(dāng)兩個(gè)設(shè)備已經(jīng)在它們的簡(jiǎn)單描述符結(jié)構(gòu)中登記為相同的命令I(lǐng)D或簇ID（一個(gè)簇實(shí)際上是一些相關(guān)命令和屬性的集合，這些命令和屬性一起被定義為一個(gè)應(yīng)用接口，被分配一個(gè)唯一的簇ID），且一個(gè)為輸入一個(gè)為輸出時(shí)，才能建立綁定。綁定允許應(yīng)用層發(fā)送信息而無(wú)需帶目的地址，由應(yīng)用支持子層 APS（Application Support Sublayer）從它的綁定表中確定目的地址，然后在信息前端加上該目的地址（一對(duì)一綁定）或組地址（一對(duì)多綁定）來(lái)完成信息的發(fā)送。

采集節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)后，通過(guò)按鍵處理函數(shù)開(kāi)啟允許綁定模式。傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，ZDO層首先在自己內(nèi)部查找命令I(lǐng)D或簇ID，判斷其是否在傳感器節(jié)點(diǎn)的端點(diǎn)描述符的簇列表中，即查看其在簇列表中的簇號(hào)，并判斷是輸出簇還是輸入簇。然后由ZDO層以廣播的形式無(wú)線(xiàn)發(fā)送匹配描述符請(qǐng)求和簇信息到允許綁定的設(shè)備（即采集節(jié)點(diǎn)）。采集節(jié)點(diǎn)接收到該請(qǐng)求后，在ZDO層處理函數(shù)中解析接收到的簇信息，并在自己的簇列表中查找有無(wú)與之匹配的描述符，若存在同樣的簇ID，且與傳感節(jié)點(diǎn)的簇信息互補(bǔ)，則以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送匹配描述符響應(yīng)信息到傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)接收到響應(yīng)信息后，開(kāi)始建立綁定表，并存儲(chǔ)發(fā)送過(guò)來(lái)的采集節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)無(wú)線(xiàn)發(fā)送IEEE地址請(qǐng)求到采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)接收到該請(qǐng)求信息后，將IEEE地址響應(yīng)發(fā)送給傳感器節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)接收到該響應(yīng)信息后進(jìn)行地址更新，存儲(chǔ)與其建立綁定的采集節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址和IEEE地址，完成綁定過(guò)程。

本系統(tǒng)用到9個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。在設(shè)備啟動(dòng)后，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)通過(guò)上述過(guò)程與采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綁定，即一個(gè)采集節(jié)點(diǎn)與9個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)建立綁定（一對(duì)多的綁定）。

3.3 采集并發(fā)送數(shù)據(jù)

傳感器節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)建立綁定后，會(huì)在應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。利用系統(tǒng)定時(shí)器和內(nèi)嵌ADC，周期性地采集環(huán)境的溫度、濕度和電壓（方便及時(shí)了解節(jié)點(diǎn)的供電情況，若電量不足，及時(shí)更換電源）信息，同時(shí)根據(jù)其傳感器特性對(duì)溫度值和濕度值進(jìn)行校準(zhǔn)處理后，利用綁定方式，以無(wú)線(xiàn)形式發(fā)送給采集節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)接收到該信息后，對(duì)信息進(jìn)行格式處理，將16進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制信息，最后通過(guò)RS232串口轉(zhuǎn)USB口發(fā)送到監(jiān)控終端。

4 監(jiān)控終端

監(jiān)控終端界面由當(dāng)前時(shí)間、節(jié)點(diǎn)對(duì)象選擇、溫濕度數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)曲線(xiàn)顯示和報(bào)警狀態(tài)組成，如圖4所示。

在本應(yīng)用案例中，監(jiān)控終端軟件用VB6.0開(kāi)發(fā)。VB6.0環(huán)境下提供了MsComm控件，該控件提供串行通信的全部功能，可以實(shí)現(xiàn)從串口讀入數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)到串口，封裝了通信過(guò)程中的底層操作程序，實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)和應(yīng)用程序之間的異步串行通信，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft Office中的Access數(shù)據(jù)庫(kù)，用以存儲(chǔ)和管理所需要的數(shù)據(jù)。它不僅是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，而且具有數(shù)據(jù)管理功能。數(shù)據(jù)庫(kù)中包含多個(gè)表，每個(gè)表可以分別表示和存儲(chǔ)不同類(lèi)型的信息；通過(guò)建立各個(gè)表之間的關(guān)聯(lián)，從而將存儲(chǔ)在不同表中的相關(guān)數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)；可以通過(guò)創(chuàng)建查詢(xún)?cè)谝粋€(gè)表或多個(gè)數(shù)據(jù)表中檢索、更新和刪除記錄，并且可以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計(jì)算；通過(guò)創(chuàng)建聯(lián)機(jī)窗體，可以直接對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄執(zhí)行查看和編輯操作[7]。

數(shù)據(jù)接收區(qū)利用Adodc控件和DataGrid控件完成對(duì)數(shù)據(jù)的接收、顯示并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

在節(jié)點(diǎn)選擇框架中，可選擇當(dāng)前查看某一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和曲線(xiàn)。

通過(guò)VB6.0中的PictureBox控件設(shè)計(jì)出能夠根據(jù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制曲線(xiàn)的模塊，將溫濕度數(shù)據(jù)以曲線(xiàn)的形式實(shí)時(shí)描繪出來(lái)，并可以連續(xù)描繪出一天的溫濕度變化曲線(xiàn)，方便對(duì)溫濕度變化特征進(jìn)行觀察和分析，如圖5所示。

在報(bào)警狀態(tài)框架中，可以設(shè)定監(jiān)控環(huán)境的溫濕度控制范圍。當(dāng)環(huán)境中的溫濕度在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，以綠色燈顯示正常狀態(tài)；當(dāng)超出設(shè)定范圍時(shí)，以紅燈進(jìn)行報(bào)警，以便及時(shí)采取控制措施，使其溫濕度控制在最優(yōu)的環(huán)境允許范圍內(nèi)，顯示界面如圖6所示。

本文將CC2430與外接溫濕度傳感器連接，并利用上位機(jī)監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee的溫濕度數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠解決在傳統(tǒng)傳感器應(yīng)用中的布線(xiàn)問(wèn)題，降低了成本、維護(hù)安全，能實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中多個(gè)區(qū)域的溫濕度的實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)采集和監(jiān)測(cè)，在工農(nóng)業(yè)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。系統(tǒng)還具有較強(qiáng)的移植性，只要更換采集節(jié)點(diǎn)中的傳感器就能對(duì)其他參量進(jìn)行采集監(jiān)測(cè)。目前該系統(tǒng)在溫室溫濕度采集監(jiān)測(cè)上得到了應(yīng)用。

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