基于ZigBee的溫濕度數(shù)據(jù)無線采集監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

李永成 ，凌 青 ，吳 剛 ，陳 雷 ，秦琳琳

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動化系，安徽 合肥 230027；2.中國人民解放軍63895部隊，河南 洛陽 454750）

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

與其他無線通信技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)的特點是距離短、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，適用于對無線傳感器網(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)計出一種基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫室溫濕度采集監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于ZigBee技術(shù)的溫室溫濕度數(shù)據(jù)無線采集監(jiān)測系統(tǒng)通過WSN進(jìn)行溫濕度信息的采集和發(fā)送，通過上位機(jī)監(jiān)控軟件完成數(shù)據(jù)的存儲，并且對溫室中每一個節(jié)點的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測，即在監(jiān)控終端設(shè)定溫濕度期望值區(qū)間，當(dāng)實際值超出該設(shè)定范圍時，監(jiān)控界面顯示報警。WSN是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。它通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對環(huán)境信息的實時監(jiān)測、感知和采集，并將信息通過無線方式發(fā)送到用戶終端[6]。網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個采集節(jié)點充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，但允許存在若干個傳感器節(jié)點來完成信息的采集。

本系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、采集節(jié)點和監(jiān)控終端組成。監(jiān)控終端由一臺PC和監(jiān)控操作界面組成，負(fù)責(zé)實時顯示、存儲與處理數(shù)據(jù)，并能夠在溫濕度超過設(shè)定范圍時報警。傳感器節(jié)點由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，因此需要對電源電壓進(jìn)行監(jiān)測以便及時更換電源），并以無線方式發(fā)送至采集節(jié)點，以便進(jìn)行離線的分析和處理。采集節(jié)點由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)點的采集信息，并通過RS232串口將信息發(fā)送到監(jiān)控終端。一個典型的基于ZigBee技術(shù)的溫濕度數(shù)據(jù)無線監(jiān)測系統(tǒng)。共布設(shè)9個應(yīng)用于溫室采集溫濕度信息的傳感器節(jié)點。

2 硬件結(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點由數(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，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，其輸出電壓為0.25 V；當(dāng)溫度為100℃時，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)。通過外接1 kΩ電阻，使其輸出端與CC2430的P0.0口相連，對應(yīng)相對濕度的電壓輸出接近于線性。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)點由一塊HFZ-SmartRF母板和CC2430芯片構(gòu)成。通過該母板為各設(shè)備下載程序，并通過RS232串口轉(zhuǎn)USB口與PC連接，用作無線傳感器網(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)無線采集監(jiān)測系統(tǒng)軟件流程可分為組網(wǎng)、綁定和采集并發(fā)送信息3個過程，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)點在初始化后確定自己的邏輯類型為采集節(jié)點，由介質(zhì)訪問控制 MAC（Media Access Control）層對工作于 2.4 GHz波段的 16個信道（11～26）進(jìn)行能量檢測掃描，以檢測可能的干擾。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層（NWK）接收到成功的能量檢測掃描結(jié)果后，以遞增的方式對所測得的能量值進(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編號最小的信道，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的個域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符PanID（Personal Area Network ID）。ZigBee設(shè)備對象然后由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)點完成初始化后，在APL層確定自己的邏輯類型為終端設(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)兩個設(shè)備已經(jīng)在它們的簡單描述符結(jié)構(gòu)中登記為相同的命令I(lǐng)D或簇ID（一個簇實際上是一些相關(guān)命令和屬性的集合，這些命令和屬性一起被定義為一個應(yīng)用接口，被分配一個唯一的簇ID），且一個為輸入一個為輸出時，才能建立綁定。綁定允許應(yīng)用層發(fā)送信息而無需帶目的地址，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（一對一綁定）或組地址（一對多綁定）來完成信息的發(fā)送。

采集節(jié)點建立網(wǎng)絡(luò)后，通過按鍵處理函數(shù)開啟允許綁定模式。傳感器節(jié)點加入網(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)點的端點描述符的簇列表中，即查看其在簇列表中的簇號，并判斷是輸出簇還是輸入簇。然后由ZDO層以廣播的形式無線發(fā)送匹配描述符請求和簇信息到允許綁定的設(shè)備（即采集節(jié)點）。采集節(jié)點接收到該請求后，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與之匹配的描述符，若存在同樣的簇ID，且與傳感節(jié)點的簇信息互補(bǔ)，則以無線方式發(fā)送匹配描述符響應(yīng)信息到傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點接收到響應(yīng)信息后，開始建立綁定表，并存儲發(fā)送過來的采集節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址，同時無線發(fā)送IEEE地址請求到采集節(jié)點，采集節(jié)點接收到該請求信息后，將IEEE地址響應(yīng)發(fā)送給傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點接收到該響應(yīng)信息后進(jìn)行地址更新，存儲與其建立綁定的采集節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址和IEEE地址，完成綁定過程。

本系統(tǒng)用到9個傳感器節(jié)點。在設(shè)備啟動后，每個節(jié)點都會通過上述過程與采集節(jié)點進(jìn)行綁定，即一個采集節(jié)點與9個傳感器節(jié)點建立綁定（一對多的綁定）。

3.3 采集并發(fā)送數(shù)據(jù)

傳感器節(jié)點與采集節(jié)點建立綁定后，會在應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。利用系統(tǒng)定時器和內(nèi)嵌ADC，周期性地采集環(huán)境的溫度、濕度和電壓（方便及時了解節(jié)點的供電情況，若電量不足，及時更換電源）信息，同時根據(jù)其傳感器特性對溫度值和濕度值進(jìn)行校準(zhǔn)處理后，利用綁定方式，以無線形式發(fā)送給采集節(jié)點。采集節(jié)點接收到該信息后，對信息進(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)前時間、節(jié)點對象選擇、溫濕度數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)曲線顯示和報警狀態(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，封裝了通信過程中的底層操作程序，實現(xiàn)了用戶和應(yīng)用程序之間的異步串行通信，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

后臺數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Office中的Access數(shù)據(jù)庫，用以存儲和管理所需要的數(shù)據(jù)。它不僅是一個數(shù)據(jù)庫，而且具有數(shù)據(jù)管理功能。數(shù)據(jù)庫中包含多個表，每個表可以分別表示和存儲不同類型的信息；通過建立各個表之間的關(guān)聯(lián)，從而將存儲在不同表中的相關(guān)數(shù)據(jù)有機(jī)地結(jié)合起來；可以通過創(chuàng)建查詢在一個表或多個數(shù)據(jù)表中檢索、更新和刪除記錄，并且可以對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種計算；通過創(chuàng)建聯(lián)機(jī)窗體，可以直接對數(shù)據(jù)庫中的記錄執(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控件完成對數(shù)據(jù)的接收、顯示并存儲到數(shù)據(jù)庫中。

在節(jié)點選擇框架中，可選擇當(dāng)前查看某一個節(jié)點的數(shù)據(jù)和曲線。

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

在報警狀態(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，以綠色燈顯示正常狀態(tài)；當(dāng)超出設(shè)定范圍時，以紅燈進(jìn)行報警，以便及時采取控制措施，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)控終端實現(xiàn)了基于ZigBee的溫濕度數(shù)據(jù)無線采集監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠解決在傳統(tǒng)傳感器應(yīng)用中的布線問題，降低了成本、維護(hù)安全，能實現(xiàn)對環(huán)境中多個區(qū)域的溫濕度的實時無線采集和監(jiān)測，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)點中的傳感器就能對其他參量進(jìn)行采集監(jiān)測。目前該系統(tǒng)在溫室溫濕度采集監(jiān)測上得到了應(yīng)用。

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