基于WSN的環(huán)境質量監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現*

沈佳輝，駱 懿，陸家明

(杭州電子科技大學 通信工程學院，浙江 杭州 310018)

基于WSN的環(huán)境質量監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現*

沈佳輝，駱 懿，陸家明

(杭州電子科技大學 通信工程學院，浙江 杭州 310018)

提出、設計并驗證了一種低成本、低功耗的分布式環(huán)境質量無線實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于TI CC2530微控制器的ZigBee無線協(xié)議棧。無線采集節(jié)點內置的MSP430G2553微控制器收集溫濕度傳感器、空氣微粒傳感器和光傳感器得到的環(huán)境質量數據經由ZigBee無線傳感網傳送至ZigBee-IP網關?；赟3C2440的嵌入式ZigBee-IP網關將采集到的環(huán)境質量數據以Web網頁的形式向互聯網用戶提供實時環(huán)境質量報告。該系統(tǒng)針對目前百姓普遍關心的環(huán)境質量問題，對于政府環(huán)保部門、大型污染企業(yè)環(huán)境質量監(jiān)控等有一定的參考及推廣價值。

ZigBee；MSP430G2553；Mini2440；環(huán)境監(jiān)測

0 引 言

隨著社會發(fā)展進步，人們越來越重視生活環(huán)境質量問題。特別是在一些中大型的城市，環(huán)境質量已經納入為衡量該城市綜合實力的標志[1-2]。為了監(jiān)測環(huán)境質量我們設計了一套完整的環(huán)境質量監(jiān)測系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的環(huán)境質量監(jiān)測系統(tǒng)相比，使用ZigBee無線傳感網[3]具有傳感器節(jié)點布置隨意性、傳感器節(jié)點數量的可擴張性、傳感器網絡通信的無線性等特點。本文采用ZigBee網絡來監(jiān)測周邊環(huán)境狀況，在需監(jiān)測的區(qū)域放置傳感器節(jié)點并通過上位機將實時數據傳至互聯網，監(jiān)控人員可以在任意時間和地點通過互聯網監(jiān)控該區(qū)域的環(huán)境質量狀況。

1 環(huán)境質量監(jiān)測系統(tǒng)結構

環(huán)境質量監(jiān)測系統(tǒng)主要由3個部分組成：ZigBee無線傳感網絡、互聯網以及用戶監(jiān)控中心。如圖1和圖2所示。

圖1 環(huán)境質量監(jiān)測系統(tǒng)示意

圖2 環(huán)境質量監(jiān)測系統(tǒng)實物

其中傳感器節(jié)點有目標性地布置在監(jiān)測區(qū)域，如辦公樓、醫(yī)院、會場或者圖書館等等。傳感器節(jié)點與上位機之間選擇無線通信[4]，這是由于采用無線的方式不僅方便初始節(jié)點的布置，也有利于隨時更換傳感器節(jié)點在室內監(jiān)測的位置。

系統(tǒng)的無線通信部分選擇ZigBee技術，ZigBee協(xié)議是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協(xié)議，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。它支持多種網絡拓撲結構如：樹狀結構、星型結構、網狀結構等。在本系統(tǒng)中ZigBee模塊的重要作用為將傳感節(jié)點和服務器組成局域網，每個節(jié)點都可以單獨與服務器通信，也可以節(jié)點之間相互通信。

系統(tǒng)工作原理：

(1)ZigBee協(xié)調器生成特定的PANID組建ZigBee網絡，傳感器節(jié)點搜索與自身匹配PANID并加入到該網絡；

(2)傳感器節(jié)點實時采集周圍的環(huán)境狀況數據：溫濕度、PM2.5濃度和光照強度，并將采集到的數據通過無線鏈路發(fā)送給ZigBee-IP網關[5-8]；

(3)ZigBee-IP網關接收到數據后通過路由器發(fā)送到互聯網，用戶可通過互聯網來實時監(jiān)控傳感器節(jié)點周圍的實時環(huán)境狀況。

2 傳感器節(jié)點設計

傳感器節(jié)點的模塊構成如圖3所示，其中包括了3種不同類型的傳感器以及MSP430主控模塊[9]和ZigBee無線傳輸模塊。

圖3 傳感節(jié)點模塊組成示意

其中系統(tǒng)采用的DHT11溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保具有極高的可靠性和長期的穩(wěn)定性。其中DH11溫濕度傳感器的電路連接如圖4所示。每一次數據的采集總共為40 bit，其中包括16 bit的溫度數據，16 bit的濕度數據以及8 bit的校驗位。

圖4 DH11與MCU連接

PM2.5傳感器采用夏普光學灰塵傳感器(GP2Y1010AU0F)，該傳感器包括1個紅外發(fā)光二極管和光電晶體管，通過檢測在空氣中的灰塵反射光來判斷空氣中的微塵含量。不同于DH11數字傳感器，模擬傳感器必須使懸浮顆粒物傳感器的輸出引腳輸出正比于懸浮顆粒物濃度的模擬電壓值。為此我們根據芯片手冊，在傳感器內部LED發(fā)光的第3個引腳上輸入1個周期為10 ms，占空比為0.32 ms的方波，此時輸出引腳的脈沖波形所對應的模擬電壓值恰好正比于懸浮顆粒物濃度的電壓值，再根據圖5關系曲線，就能計算出當前的懸浮顆粒物濃度數據。

圖5 輸出電壓與懸浮顆粒物濃度關系曲線

該系統(tǒng)采用由TI公司提供的G2553 Launch Pad作為主控芯片，可支持多達16個IO口，兩個按鍵和兩個LED，并提供在線調試功能。其中MSP430G2553單片機中的軟件流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后執(zhí)行初始化操作，初始化內容包括串口(38400)、DHT11、ADC、按鍵和LED的初始化。接下來開始多次采集數據去平均值并保存到數組，當有命令被接收時，判斷是發(fā)送數據命令還是打開/關閉設備命令，若是發(fā)送數據命令，系統(tǒng)將數據按照一定格式打包上傳，若是打開/關閉設備命令，系統(tǒng)將判斷相應命令并執(zhí)行打開或關閉LED。

圖6 MSP430程序流程

3 上位機節(jié)點設計

上位機Linux軟件主要實現Mini2440對串口的操作。Mini2440通過串口把各個節(jié)點的數據收集到數組，對數據進行分類統(tǒng)計后，以Html文本的形式輸出，使用戶可以在瀏覽器中訪問節(jié)點數據。軟件流程如圖7所示。當軟件被執(zhí)行時，首先初始化串口(38 400波特率)，然后向各個節(jié)點發(fā)送“發(fā)送數據”命令，當節(jié)點收到命令時，將立即把數據返回，Mini2440把數據分類統(tǒng)計后輸出網頁，若沒有收到數據，系統(tǒng)將一直循環(huán)發(fā)送指令，直到有相應數據收到為止。

圖7 上位機Linux程序流程

4 系統(tǒng)的低功耗設計

4.1 基于低功耗的各模塊選擇

為了保證系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點在各種環(huán)境下能進行長時間工作，節(jié)點中的各模塊均選用了低功耗器件。

其中選用DHT11溫濕度傳感器是因為該傳感器普通電源模式下待機電流僅為100 μA，正常工作平均電流為0.2 mA，在單總線供電模式下則更加節(jié)能。此外光學灰塵傳感器(GP2Y1010AU0F)也屬于低功耗傳感器，其LED終端電流以及工作電流最大值為20 mA。

主控模塊MSP430G2553單片機，有5種節(jié)能模式，普通運行模式下工作電流僅有230 μA，待機模式下僅有0.5 μA。

ZigBee無線傳輸模塊的工作電壓為3.3 V，并且基于Zigbee2007/PRO 無線通信協(xié)議，其發(fā)射電流最大值為34 mA，接收電流最大值為25 mA，平均工作電流為30 mA，休眠電流在1 μA左右。

基于以上各模塊的低功耗原則，傳感器節(jié)點的供電方式不像類似協(xié)調器和上位機的USB供電，而是直接采用兩節(jié)5號干電池作為供電電源。

4.2 基于低功耗的休眠控制

為了將系統(tǒng)中的傳感器節(jié)能耗將至最低，除了采用低功耗的各器件外，在主控模塊MSP430以及ZigBee無線傳輸模塊的程序中分別采用了休眠機制。

ZigBee無線傳輸模塊內部有一個簡單多任務的操作系統(tǒng)-OSAL。其中低功耗管理主要涉及的程序在OSAL_PwrMgr.C 和hal_sleep.c文件中，分別為OSAL的電源管理API和底層電源管理。開啟睡眠模式的命令語句如下(其中數據1為有效)：

#define PWRMGR_ALWAYS_ON 0

#define PWRMGR_BATTERY 1

OSAL系統(tǒng)在檢查完所有的任務事件之后發(fā)現沒有事件需要處理則會選擇系統(tǒng)進入休眠。設置“myReportPeriod”的值即可調整節(jié)點的睡眠周期，可以利用計時器設置動態(tài)睡眠周期，從而使得傳感器節(jié)點僅在需要的時候進行數據采集和發(fā)送。

主控模塊MSP430的低功耗設計主要采用了中斷喚醒的方式，程序中分別定義的AD中斷、串口接收中斷、按鍵中斷以及PWM中斷。在main函數開始執(zhí)行后，首先對串口、時鐘、按鍵、LED等進行配置，配置完成后進入低功耗模式并激活中斷，語句如下：

__bis_SR_register(GIE);

該語句執(zhí)行后，表示模塊進入低功耗模式0(LPM0)，在此模式下，僅僅關閉MCLK主時鐘，即關閉CPU的運行來達到降低能耗的目的。

4.3 系統(tǒng)能耗測試

對于本系統(tǒng)中協(xié)調器節(jié)點采用5 V的USB電源供電，傳感器節(jié)點的供電一律采用兩節(jié)5號堿性干電池，為了保證測試的公平性采用全新未拆封的干電池。測試環(huán)境選擇室內，測試傳感器節(jié)點數量為4個。距離協(xié)調器節(jié)點選擇10 m，測試結果如表1和表2所示。

表1 傳感器節(jié)點續(xù)航時間測試(全速工作)

表2 傳感器節(jié)點續(xù)航時間測試(開啟休眠)

測試結果說明在全速工作狀態(tài)下，傳感器節(jié)點的工作電流約80 mA，主要的耗電模塊為光學微塵傳感器模塊(20 mA)和ZigBee無線傳輸模塊(30 mA)。在開啟休眠模式后，傳感器節(jié)點將不再以全速狀態(tài)進行工作，此時平均工作電流降至10 mA以下，該平均工作電流為休眠電流和全速運行電流的加權平均，此時各個節(jié)點的待機時間均能超過13天。

5 Web顯示與控制界面

5.1 Web主要框架

網站主要使用了bootstarp3.10版本進行開發(fā)，Bootstrap是Twitter推出的一個用于前端開發(fā)的開源工具包，它由Twitter的設計師Mark Otto和Jacob Thornton合作開發(fā)，是一個是基于HTML、CSS、JAVASCRIPT框架，是目前最受歡迎的前端框架。

5.2 Web界面描述與實現

主頁面效果如圖8所示，主要功能模塊可分為產品說明、節(jié)點分布、節(jié)點開關、測試圖形以及數據查看。頁面使用iframe標簽使得各個頁面在同一頁面上不進行地址的跳轉，這樣方便用戶進行查看和管理。

圖8 Web顯示主頁面效果

(1)節(jié)點分布：該界面簡單說明傳感器節(jié)點所在位置的信息。如圖9所示，后期可將圖片替換為詳細的節(jié)點位置信息用于定位各個節(jié)點所在的詳細位置。

圖9 節(jié)點分布顯示界面

(2)節(jié)點開關：Mini2440開發(fā)板上的BOA服務器使用cgi(通用網關接口)文件來處理網絡邏輯相關的部分。這里設置了分布的4個節(jié)點的開關按鍵，開關打開時表示節(jié)點開啟，開關關閉時表示節(jié)點關閉，可參考圖10。

圖10 節(jié)點開關界面

(3)數據顯示：ZigBee網絡通過串口發(fā)送到Mini2440開發(fā)板上的4個節(jié)點的數據分別是：溫度、濕度、光照強度及PM2.5的數值。通過建立圖表的方式在Web頁面中呈現出來(如圖11所示)。圖表通過橫向的對比4個節(jié)點同一時間同一項數據的實時值，并且每隔3 s實時更新在頁面上。

圖11 數據顯示界面

5.3 Web系統(tǒng)的特點與后續(xù)開發(fā)

現有的web系統(tǒng)僅支持數據的實時觀測以及節(jié)點的控制和位置觀察，在后續(xù)的開發(fā)中可逐步完善其功能，例如為了實現對以往環(huán)境檢測數據的存儲和調用可引入數據庫，其次網站的安全機制方面需要完善，完善用戶登錄、加密及搜索的功能等。

6 結 語

本文以監(jiān)測環(huán)境質量為研究切入點，從軟硬件兩方面設計并介紹了一種基于ZigBee以及MSP430的環(huán)境質量監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將溫濕度傳感器、PM2.5空氣微粒傳感器和光傳感器三種傳感器相結合，測量環(huán)境參數通過無線鏈路發(fā)送至ZigBee-IP網關，并最后以Web網頁的形式在互聯網向用戶發(fā)送實時監(jiān)測報告。該系統(tǒng)具有高效性、節(jié)能性、實時性與可擴展性等特點，可滿足大型污染企業(yè)、工業(yè)場所、政府辦公樓或者學校實驗室的空氣質量檢測要求。

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Design and Realization of Environmental Quality Monitoring System based on WSN

SHEN Jia-hui，LUO Yi，LU Jia-ming

(College of Communication Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou Zhejiang 310018,China)

A wireless real-time distributed environment quality monitoring system with low-cost and low-consumption is proposed, designed and verified. This system adopts ZigBee wireless protocol stack based on TI CC2530 micro controller, and the MSP430G2553 micro controller in wireless acquisition section collects the environmental quality data from the temperature -humidity sensor, air particle sensor and light sensor then transmits the data to the ZigBee-IP gateway through ZigBee wireless sensor network. The embedded ZigBee IP gateway based on S3C2440 sends environmental quality data in the form of Web page to Internet users, thus providing a real-time environmental quality report. This system is of certain reference and popular significance for those who are closely concerned with environmental quality monitoring, including government environmental departments and large polluting enterprises.

ZigBee;MSP430G2553;Mini2440;environmental monitoring

2015-03-19；

2015-07-20 Received date:2015-03-19；Revised date：2015-07-20

TP212.9

A

1002-0802(2015)09-1087-05

沈佳輝(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向為無線通信技術和無線傳感器網絡;

駱 懿(1976—)，男，碩士，高級實驗師，主要研究方向為無線通信技術;

陸家明(1990—)，男，碩士研究生，主要研究方向為無線通信技術。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.09.021