基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘 要：隨著人們對(duì)生活環(huán)境質(zhì)量的重視程度的不斷提高，從而使得各種類型的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也在不斷的增多。常見的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多數(shù)采用的是RS-485、以太網(wǎng)、GPRS等方式進(jìn)行通訊。上述方式往往存在著布線困難、費(fèi)用高等特點(diǎn)，從而不易大面積的推廣。本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有免授權(quán)頻段、低功耗、耗資少、安全性高、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。能夠滿足大多數(shù)場(chǎng)合的環(huán)境監(jiān)控需求，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

關(guān)鍵詞：ZigBee；短距離無線通信；無線數(shù)據(jù)傳輸

ZigBee是目前一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是IEEE無線個(gè)人局域網(wǎng)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，也被稱為是IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee的協(xié)議棧非常簡(jiǎn)單，只需要4KBROM、8位的處理器、64KB的RAM就能夠滿足最低的要求。ZigBee協(xié)議棧是通過數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層以及匯聚層等組成。IEEE對(duì)其物理層以及數(shù)據(jù)的鏈路層進(jìn)行了制定。ZigBee則對(duì)應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層以及高層應(yīng)用規(guī)范進(jìn)行了相應(yīng)的定義。一個(gè)基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通常具有成本低廉、功耗低、低速率、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高、安全性高、自組網(wǎng)靈活等諸多的優(yōu)點(diǎn)，所以ZigBee在很場(chǎng)合都得到了廣泛的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要組成部分是由管理控制中心以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。在所要檢測(cè)的范圍內(nèi)，傳感器的節(jié)點(diǎn)被任意的分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)。若干個(gè)傳感器的節(jié)點(diǎn)與一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)監(jiān)測(cè)子網(wǎng)[1]。網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)通過使用ZigBee協(xié)議完成了與各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。而管理控制中心只需要安裝一臺(tái)具有固定IP地址的服務(wù)器，該服務(wù)器的主要任務(wù)就是各個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與信息交互。而這些信息都被保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶能夠非常方便的實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)的運(yùn)行情況，能夠?qū)?shù)據(jù)的采集情況進(jìn)行有效的分析、與統(tǒng)計(jì)，同時(shí)也能夠通過系統(tǒng)向傳感器發(fā)送指令。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 zigbee無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

本文所描述的監(jiān)測(cè)對(duì)象是環(huán)境，由于其對(duì)象本身的自然環(huán)境具有氣候復(fù)雜、面積廣泛等特點(diǎn)。本文所描述的線數(shù)據(jù)傳輸模塊的硬件工作原理如圖2-1所示：

硬件設(shè)計(jì)大致可以劃分為4部份，他們分別為JTAG電路、電源電路、和串口轉(zhuǎn)換電路以及無線收發(fā)電路。本文設(shè)計(jì)了串口轉(zhuǎn)換電路，能夠方便、快捷的完成RS232串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換任務(wù)。此外，還可以完成PC機(jī)與無線模塊之間的數(shù)據(jù)通訊的任務(wù)。無線收發(fā)電路是本次設(shè)計(jì)內(nèi)容的重點(diǎn)部分，而JTAG電路的主要的任務(wù)就是完成對(duì)CC2430的測(cè)試以及編程的任務(wù)[2]。

2.2 zigbee無線傳輸模塊設(shè)計(jì)

本文在無線通信模塊設(shè)計(jì)過程里，使用了CC2430射頻芯片。其中對(duì)無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)是由CC2430芯片以及外圍電路構(gòu)成，使用CC2430芯片能夠于少量的外部元器件連接就能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的收發(fā)的功能。為了能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)與各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通訊，本文設(shè)計(jì)了了RS232電平轉(zhuǎn)換電路，各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)的上傳到相關(guān)的監(jiān)控設(shè)備，同時(shí)監(jiān)控設(shè)備也可以使用串口來發(fā)送具體的操作命令到各個(gè)的節(jié)點(diǎn)。在一般的情況下，節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)是通過RS232或者是RS485來進(jìn)行通訊的，RS485在通信距離以及速度上優(yōu)于RS232，但是RS232簡(jiǎn)單實(shí)用，所以本文選擇了RS232 作為電平轉(zhuǎn)換電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 管理控制中心軟件設(shè)計(jì)

管理控制中心監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，其主要的功能就是完成對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理與控制。管理控制中心軟件采用當(dāng)今最為流行的JAVA語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，服務(wù)器上安裝了LINIX操作系統(tǒng)。采用Tomcat提供對(duì)外的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)?？刂浦行呐c網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用TCP/IP協(xié)議完成通信，系統(tǒng)的使用這就可以通過本地瀏覽器完成傳感器的管理、系統(tǒng)的監(jiān)控以及數(shù)據(jù)信息的分析。軟件架構(gòu)如圖2-2所示：

3.2 串口發(fā)送程序流程設(shè)計(jì)

本文軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分，第一部分向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的過程是通過CC2430異步串行接口完成的。而剩下的部分則是使用串口接收數(shù)據(jù)，來完成對(duì)數(shù)據(jù)處理過程，最后將處理結(jié)果返還給PC機(jī)。發(fā)送子程序和發(fā)送主程序的流程如圖3-1所示：

串口發(fā)送子程先對(duì)數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢進(jìn)行判斷，如果沒有完成就繼續(xù)要求發(fā)送數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)的發(fā)送過程中，首先將數(shù)據(jù)送入串口0的數(shù)據(jù)收發(fā)緩沖器，這時(shí)發(fā)送函數(shù)做了個(gè)等待中斷標(biāo)志的處理，當(dāng)中斷產(chǎn)生了，此時(shí)也就意味著U0DBUF里的數(shù)據(jù)已經(jīng)被發(fā)送完畢。只有這個(gè)過程完畢后，數(shù)據(jù)才能夠繼續(xù)發(fā)送。需要強(qiáng)調(diào)的是，在發(fā)送主程序過程中，先是調(diào)用發(fā)送函數(shù)發(fā)送了一個(gè)字符串，接著在將已發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行清除后，才能夠在重新發(fā)送一個(gè)字符串，然后在做延時(shí)處理，接著就循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢[3]。

3.3 溫濕度傳感器模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是對(duì)大氣的溫度，濕度和壓力進(jìn)行采集、分析與統(tǒng)計(jì)。本文的傳感器選擇的是博臣科技有限公司最新推出的CHTM-02系列的溫濕度傳感器[4]。該傳感器的特點(diǎn)如下：

⑴敏感元件：高分子濕敏電阻和NTC熱敏電阻。

⑵耗電電流：5mA。

⑶工作方式：濕度在10%到95%RH，溫度范圍在0-70℃。

⑷輸出電壓：CHTM-02/A為0到3V，CHTM-02/B為1到3V，CHTM-02/C為0到1V。

⑸溫度系數(shù)：0.4%RH/℃。

該模塊主要是由濕敏元件、熱敏元件、電位器和輸出端口組成。其中濕敏元件是一個(gè)濕敏電阻，通過該電阻就能夠吸收所在環(huán)境中空氣的水分來改變其電阻大小。本文所描述的熱敏元件使用的是一個(gè)NTC熱敏電阻，其電阻值隨著溫度的上升電阻值減小，此外還能夠使用集成的溫度傳感器，具體的焊接位置能夠在電路板上進(jìn)行預(yù)留。點(diǎn)位器的功能就是負(fù)責(zé)來調(diào)節(jié)電壓的大小，輸出端口和四根導(dǎo)線相連，紅色與黑色的線分別代表的是電源+5V和GND，黃色與綠色分別是濕度和溫度輸出。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有功耗低、價(jià)格低廉、安全性、可靠性高等諸多的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足復(fù)雜場(chǎng)所對(duì)環(huán)境的監(jiān)控要求。解決了大氣環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葐栴}，只要對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的改動(dòng)就能夠方便的應(yīng)用在其它的環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

[參考文獻(xiàn)]

[1]PATRICKKinney，etc.ZigBeetechnology：wirelesscontrolthatsimplyworks[J].CommunicationsDesignConference.2013，（12）：456-457.

[2]DAVIDGeer.UsersmakeabeelineforZigBeesensortechnology[J].Computer.2008，（8）：789-799.

[3]原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件.2013，（6）：89-91.

[4]馬忠梅，劉濱，戚軍，馬巖.單片機(jī)C語(yǔ)言Windows環(huán)境編程寶典[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2012.