基于ZigBee的多傳感器物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點(diǎn)研究

李晶莉，張 雷，周 磊

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

基于ZigBee的多傳感器物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點(diǎn)研究

李晶莉，張 雷，周 磊

(揚(yáng)州大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

智能化溫室是智慧城市的重要組成部分，信息采集又是智能化溫室的重要基礎(chǔ)。針對當(dāng)前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的時延和穩(wěn)定性問題，設(shè)計了一種基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點(diǎn)。通過匯聚節(jié)點(diǎn)建立和維護(hù)傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和實(shí)時更新；通過兼容多種傳感器的終端節(jié)點(diǎn)，完成多種數(shù)據(jù)的檢測與采集。經(jīng)測試，在保證系統(tǒng)功能正確性的同時，可有效降低節(jié)點(diǎn)通信延時并增加通信距離。

ZigBee；多傳感器接口；信息采集；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展推動了智能化溫室的建立，多智能傳感器節(jié)點(diǎn)的需求不斷增大[1]。為農(nóng)作物提供科學(xué)的生長方案、優(yōu)化生長環(huán)境是智能化溫室的關(guān)鍵，而信息的獲取和處理是智能化溫室的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的人工技術(shù)存在工作量大、效率低、誤差大和消耗時間長等弊端，已無法滿足人們的需求，新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著快速、可靠、安全、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變、網(wǎng)絡(luò)容量大和復(fù)雜度低等先天的優(yōu)勢，一躍成為人們的新寵兒[2]。

但國內(nèi)大多數(shù)智能化溫室系統(tǒng)是從國外引進(jìn)的，價格昂貴，無法適應(yīng)我國國情的需要。雖然國內(nèi)在溫室的信息采集與處理方面也進(jìn)行了很多研究，但研究的系統(tǒng)體系普遍是基于IrDA、GPRS、WIFI和藍(lán)牙等傳統(tǒng)無線通信技術(shù)[3]。這些無線通信技術(shù)雖然有傳輸速度快、傳輸信息量大、傳輸運(yùn)行可靠和傳輸距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢，但它們共同的缺點(diǎn)就是通信費(fèi)用高、功耗大，所以很難滿足智能化溫室的要求。本文系統(tǒng)的信息采集選用ZigBee技術(shù)[4]，與WIFI的大功耗、低安全性，藍(lán)牙的單一連接性、設(shè)備連接數(shù)少，IrDA、GPRS的費(fèi)用昂貴等問題相比，ZigBee技術(shù)集低復(fù)雜度、低功耗、低成本和短時延等優(yōu)點(diǎn)于一身，更適合設(shè)計所需[5]。傳統(tǒng)的ZigBee技術(shù)，當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)急劇擴(kuò)大時，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信不穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)崩潰等問題。

針對當(dāng)前智能化溫室系統(tǒng)的情況和傳統(tǒng)的ZigBee技術(shù)傳輸過程中存在的時延和穩(wěn)定性問題，本文設(shè)計了一種基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)不僅能實(shí)時采集溫室數(shù)據(jù)，還能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)更好的監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點(diǎn)的研究采用美國TI公司的CC2530F256芯片為硬件開發(fā)平臺，采用IAR Embeded Workbench為軟件開發(fā)平臺[6]。旨在實(shí)現(xiàn)一種由各ZigBee節(jié)點(diǎn)組成的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)解決了分散的智能采集點(diǎn)的集中化管理與查詢維護(hù)的難題，智能終端可以采集溫度、濕度和光強(qiáng)等數(shù)據(jù)，通過ZigBee自組網(wǎng)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)打包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)處理后通過USB發(fā)送給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)多種環(huán)境參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要分為3個部分：① 系統(tǒng)前端由環(huán)境監(jiān)測傳感器模塊和ZigBee無線收發(fā)模塊構(gòu)成系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊；② 系統(tǒng)中端是STM32組成的嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊；③ 系統(tǒng)后端是PC機(jī)構(gòu)成的上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

硬件電路設(shè)計主要是對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的硬件分析。目前，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的智能節(jié)點(diǎn)存在匯聚節(jié)點(diǎn)、路由器和終端3種形態(tài)[7]，匯聚節(jié)點(diǎn)是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，路由器充當(dāng)中間人的角色，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，終端上設(shè)有多種傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集。為了簡化設(shè)計功能，將其合并為匯聚節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。

2.1 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計

匯聚節(jié)點(diǎn)是整個網(wǎng)絡(luò)的匯聚中心，負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)。匯聚節(jié)點(diǎn)基于CC2530芯片，由51內(nèi)核、UART接口、定時器和I/O口等部件組成，匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將終端節(jié)點(diǎn)傳上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，然后通過串口傳送給網(wǎng)關(guān)，匯聚節(jié)點(diǎn)框架圖如圖2所示。

設(shè)計中核心板選用德州儀器(TI)公司最新的CC2530芯片，該芯片結(jié)合了高性能的射頻收發(fā)器和一個高性能低功耗的8051微控制器，具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和抗干擾性[8]。它是一個真正的片上系統(tǒng)(Soc)解決方案，是市面上最出色的微處理器之一。

圖2 匯聚節(jié)點(diǎn)框架

CC2530芯片作為節(jié)點(diǎn)的主控制器，主控制器加上外圍電路組成單片機(jī)最小系統(tǒng)核心板，核心板外部為擴(kuò)展模塊，擴(kuò)展模塊提供傳感器接口，其中CC2530芯片上的P0_4～P0_7與多種傳感器接口相對應(yīng)。

考慮到內(nèi)外部信號對系統(tǒng)的干擾，將電路的模擬部分和數(shù)字部分的電路嚴(yán)格分開，對核心電路重點(diǎn)防護(hù)，將系統(tǒng)地線環(huán)繞，并布線盡可能粗，電源增加濾波電路，采用DC-DC隔離，信號采用光電隔離，設(shè)計隔離電源，對容易產(chǎn)生干擾的部分(時鐘電路、通訊電路等)和容易被干擾的部分(模擬采樣電路等)進(jìn)行解析。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計

終端節(jié)點(diǎn)即傳感器節(jié)點(diǎn)，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前端，基于ZigBee技術(shù)，結(jié)合CC2530芯片、溫度傳感器DS18B20、溫濕度傳感器DHT11、光照傳感器光敏電組和電源等部分，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集模塊。終端節(jié)點(diǎn)通過傳感器采集所需數(shù)據(jù)，通過A/D轉(zhuǎn)換等功能，將數(shù)據(jù)通過CPU處理后，打包發(fā)送給協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)框架圖如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)框架

2.2.1 多傳感器接口設(shè)計

終端節(jié)點(diǎn)的傳感器接口電路，采用單個接口可使用多種傳感器的設(shè)計。硬件電路上，DHT11傳感器、DS18B20傳感器和光照傳感器可以使用同一個接口，如圖4所示。

圖4 多傳感器接口設(shè)計

軟件驅(qū)動上，系統(tǒng)可以自動識別傳感器種類，自動調(diào)用對應(yīng)的驅(qū)動。系統(tǒng)初始化完成后，調(diào)用一個驅(qū)動測試函數(shù)，該測試函數(shù)輪詢調(diào)用了3種傳感器的初始化函數(shù)，發(fā)送對應(yīng)的初始化時序，等待傳感器做出響應(yīng)，若傳感器的響應(yīng)符合對應(yīng)傳感器的響應(yīng)時序，則確認(rèn)該傳感器的驅(qū)動。

該標(biāo)準(zhǔn)化接口可以大大節(jié)約I/O口資源、簡化硬件電路的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了一個節(jié)點(diǎn)可以使用多種傳感器的需求。

2.2.2 系統(tǒng)傳感器

(1) 溫度傳感器

溫度傳感器將溫室中的溫度信息轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以滿足需要。傳統(tǒng)的溫度檢測大多用熱敏電阻作為溫度傳感器，但是熱敏電阻的可靠性差、測量溫度準(zhǔn)確率低。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，DS18B20可將被測溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號，供單片機(jī)使用。DS18B20具有獨(dú)特的單總線接口方式[9]，在與微處理器連接時，只需一條口線即可實(shí)現(xiàn)雙向通訊。這種單線技術(shù)具有電路簡單、便于擴(kuò)展、降低功耗等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)通過DS18B20，將采集到的數(shù)據(jù)輸入到CC2530的P0口，DATA引腳接P0_7口。 DS18B20有著嚴(yán)格的時序來保證數(shù)據(jù)的完整性。首先對DS18B20進(jìn)行初始化，主機(jī)拉低單線進(jìn)入Rx接收模式，再拉低總線產(chǎn)生應(yīng)答信號，然后對ROM、內(nèi)存進(jìn)行操作命令，最后對數(shù)據(jù)讀寫信號等進(jìn)行處理。

(2) 溫濕度傳感器

DHT11采用4針單排的引腳封裝，響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)。DATA是用于微處理器與DHT11之間的通信和同步的串行雙向接口，電源引腳(VCC，GND)之間可以加一個100 nF的電容，用以去耦濾波。DHT11的通信過程高效便捷，首先主機(jī)在數(shù)據(jù)線上發(fā)出開始信號，DHT11檢測到此信號后回復(fù)響應(yīng)信號，并拉高數(shù)據(jù)線電平，開始向主機(jī)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，釋放總線。

(3) 光照傳感器

光敏電阻是一種典型的光照傳感器，具有光電導(dǎo)效應(yīng)，當(dāng)該器件受到光輻射后，其電阻值會受到變化。與其他的半導(dǎo)體光電器件相比，光敏電阻有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬、體積小、抗過載能力強(qiáng)、壽命長等特點(diǎn)。把光敏電阻串聯(lián)在電路中，即可把電阻值轉(zhuǎn)換成電壓值，與上2個傳感器類似，光照傳感器也是3個引腳，一個接地，一個接電源，DATA引腳實(shí)現(xiàn)微處理器與光照傳感器之間的雙向通信[10]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

設(shè)計基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧，系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要完成ZigBee收發(fā)模塊的程序設(shè)計，同時為了解決功耗和時延問題，系統(tǒng)中采用最小跳數(shù)的自組網(wǎng)方法，提高傳輸?shù)男省?/p>

3.1 匯聚節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計

匯聚節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計流程如圖5所示，匯聚節(jié)點(diǎn)上電后，先對其進(jìn)行節(jié)點(diǎn)硬件及協(xié)議棧的初始化，然后開始掃描信道，匯聚節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)，判斷是否有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)檢測到有申請入網(wǎng)請求時，恢復(fù)請求并給其分配網(wǎng)絡(luò)地址，建立綁定。然后，開始接收數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，對其進(jìn)行打包處理，通過串口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

圖5 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計流程

匯聚節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)的簇id將數(shù)據(jù)填到一個6個字節(jié)的數(shù)組，然后通過串口發(fā)送函數(shù)，根據(jù)簇id將數(shù)據(jù)整理成數(shù)據(jù)包的格式發(fā)送出去。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計

終端節(jié)點(diǎn)通電后，進(jìn)行硬件及協(xié)議棧初始化，然后發(fā)出入網(wǎng)請求，等待協(xié)調(diào)器回復(fù)響應(yīng)，當(dāng)收到回復(fù)請求后，通過綁定函數(shù)建立綁定，接著就是讀取傳感器模塊的數(shù)據(jù)，并打包發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計流程圖如圖6所示。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計流程

4 系統(tǒng)測試分析

基于ZigBee的多傳感器物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計主要測試的是系統(tǒng)運(yùn)行的正確性及數(shù)據(jù)采集與傳送的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)中搭建了一個基于ZigBee的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的測試環(huán)境，包括一個匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送給上位機(jī)顯示。

4.1 節(jié)點(diǎn)的功能測試

4.1.1 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備的功能測試

匯聚節(jié)點(diǎn)在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)信息的接收和處理工作，在該系統(tǒng)中匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口與網(wǎng)關(guān)通信，網(wǎng)關(guān)通過USB與PC上位機(jī)連接通信，實(shí)現(xiàn)用戶和系統(tǒng)之間的實(shí)時交互操作。通過配置Z-stack，設(shè)置設(shè)備類型為匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)備，設(shè)備上電后檢查網(wǎng)絡(luò)并完成網(wǎng)絡(luò)的初始化工作后進(jìn)入任務(wù)輪詢狀態(tài)，允許節(jié)點(diǎn)設(shè)計加入網(wǎng)絡(luò)。匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口將自己的所采集到信息發(fā)送給STM32網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再用USB發(fā)給上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的信息傳輸。

4.1.2 節(jié)點(diǎn)溫度功能測試

以5 ℃為階梯，用不同溫度的熱源去靠近溫度傳感器，即每隔1 s時間給熱源增加5 ℃，讓溫度傳感器采集，發(fā)給PC機(jī)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較熱源溫度數(shù)據(jù)與上位機(jī)采集數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)其功能符合設(shè)計要求。

4.1.3 節(jié)點(diǎn)濕度功能測試

對濕度的測量，將DHT11傳感器放入一個密閉的空間，通過不斷增加空氣濕度，用標(biāo)準(zhǔn)的溫濕度測量儀測量空氣濕度，與傳感器測得的濕度作比較，可以發(fā)現(xiàn)其功能符合設(shè)計要求。

4.1.4 節(jié)點(diǎn)光強(qiáng)功能測試

對光強(qiáng)的測量，采用不斷加強(qiáng)光源光照強(qiáng)度，用標(biāo)準(zhǔn)的照度儀測得的數(shù)據(jù)與傳感器采集的數(shù)據(jù)做比較，可得其功能符合設(shè)計要求。 歸一化采樣數(shù)值如圖7所示。

圖7 歸一化采樣數(shù)值趨勢走向

4.2 節(jié)點(diǎn)的性能測試

節(jié)點(diǎn)的性能測試主要對節(jié)點(diǎn)設(shè)備的通信距離和接收時延進(jìn)行測試。節(jié)點(diǎn)設(shè)備的通信距離、接收時延對于合理安裝ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備具有十分重要的參考意義[11]。隨著傳輸距離的不斷增加,造成數(shù)據(jù)包的丟失。節(jié)點(diǎn)設(shè)備通信距離和接收時延同硬件設(shè)備的發(fā)射功率、環(huán)境干擾等原因有著十分密切的聯(lián)系，針對不同的安裝環(huán)境本設(shè)計做了相應(yīng)的性能測試。

4.2.1 節(jié)點(diǎn)設(shè)備的通信距離測試

節(jié)點(diǎn)設(shè)備的通信距離同設(shè)備的硬件設(shè)計有密切的聯(lián)系。本次ZigBee模塊的硬件設(shè)計，其設(shè)計性能已經(jīng)通過TI官方和諸多研發(fā)人員等多方面的測試，穩(wěn)定可靠，能有效縮短研發(fā)、測試周期。采用通信距離測試程序，其工作原理是節(jié)點(diǎn)設(shè)備每隔500 ms向匯聚節(jié)點(diǎn)固定長度的測試包，每次測試發(fā)送1 000個數(shù)據(jù)包，匯聚節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計接收到測試包的數(shù)量，計算網(wǎng)絡(luò)丟包率，其測試統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 通信距離及丟包率測試

4.2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)備的時延測試

時間延遲也是無線網(wǎng)絡(luò)中一個很重要的指標(biāo)。測試采用上位機(jī)編寫代碼的方式來計算節(jié)點(diǎn)延時，即通過調(diào)用.net中的Stopwatch類，計算從點(diǎn)下“開始”按鈕，到收到各個數(shù)據(jù)的時間，多次實(shí)驗(yàn)求平均值。各個階段的數(shù)據(jù)延遲如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)設(shè)備的時延測試

表2中，T0時刻處于組網(wǎng)階段，T0時刻的數(shù)據(jù)時間延遲比較大，超過了1 s，而T1、T2和T3的數(shù)據(jù)包時間延遲下降到300 ms，并且延遲穩(wěn)定。造成這個結(jié)果的原因是ZigBee組網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)的USB初始化要花費(fèi)大量時間，當(dāng)數(shù)據(jù)建立了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)發(fā)送路由，并且USB初始完畢后，網(wǎng)關(guān)定時主動向ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，這樣就可以大大的減少數(shù)據(jù)延遲。

5 結(jié)束語

隨著智慧城市的發(fā)展，智能化溫室已經(jīng)逐步進(jìn)入人們的視線，并開始廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)和家庭等方面。信息的采集是智能化溫室的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的人工技術(shù)，不僅成本高、耗時長、誤差大，而且效率低下、信息傳遞不及時，極易造成大面積的損耗，而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰。以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)采集系統(tǒng)，設(shè)計了一種高效的智能匯聚節(jié)點(diǎn)，把各個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與打包，及時反饋給上位機(jī)，這種設(shè)計不僅便于安裝與維護(hù)，還極大地縮短了采集時間，減少了人工失誤，提高了信息的準(zhǔn)確度與效率，為生物的成長提供了良好的測試環(huán)境，多傳感器的物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)可以將采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳送至上位機(jī)，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

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李晶莉 女，(1995—)，本科。主要研究方向：電子信息工程。

周 磊 男，(1980—)，博士，講師。主要研究方向：電子系統(tǒng)集成和專用集成電路設(shè)計。

Research on Intelligent Multi-sensor Nodes for Internet of Things Based on ZigBee

LI Jing-li,ZHANG Lei,ZHOU Lei

(InstituteofInformationEngineering,YangzhouUniversity,YangzhouJiangsu225127,China)

Intelligent greenhouse is an important component of Smart Cities,while information collection is the critical foundation of intelligent greenhouse.To address the issues of time-delay and stability in current data acquisition systems,an intelligent node based on ZigBee is designed for Internet of Things.The node data can be updated in real time by sink node creation and sensor network maintenance.Detection and acquisition of various data can be accomplished through the compatibility of multi-sensor terminal nodes.The test shows that it can effectively reduce the communication delay and increase the communication distance between the nodes while ensuring the validity of system functions.

ZigBee;multi-sensor interface;information collection;wireless sensor network

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.06

李晶莉,張 雷,周 磊.基于ZigBee的多傳感器物聯(lián)網(wǎng)智能節(jié)點(diǎn)研究[J].無線電工程,2016,46(11):22-25,67.

2016-07-26

2015年江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃立項項目(201511117078X)。

TN919

A

1003-3106(2016)11-0022-04