無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡是一種集成計算機技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)的新型智能監(jiān)控網(wǎng)絡。本文利用組建的無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。通過集成在節(jié)點上的傳感器模塊，傳感器節(jié)點采集溫度、濕度等數(shù)據(jù)，并通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸把數(shù)據(jù)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，由協(xié)調(diào)器節(jié)點收集這些數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給上位機并顯示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)采集 ZigBee技術(shù) 串口通信

監(jiān)測區(qū)域內(nèi)放置傳感器節(jié)點構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡，通過相應的傳感器采集環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)實時監(jiān)測及控制。本文應用無線傳感器網(wǎng)絡及ZigBee技術(shù)，采集溫度、濕度等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡傳輸給上位機，直觀觀察數(shù)據(jù)變化。

1 無線傳感器網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡基本單位是傳感器節(jié)點。每個節(jié)點為一小型的嵌入式模塊，節(jié)點上搭載傳感器數(shù)量由需要而定。每個傳感器節(jié)點可以實行原始數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理和回傳，并在不同節(jié)點分工的基礎(chǔ)上，對其余節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進行存儲、轉(zhuǎn)發(fā)等。

2 整體設計方案

本文基于無線傳感器網(wǎng)絡采集數(shù)據(jù)，應用ZigBee技術(shù)，實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)控。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集節(jié)點，協(xié)調(diào)節(jié)點及上位機組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點由溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器及CC2530核心模塊組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點采用CC2530作主芯片與上位機串口相連，將終端節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)傳輸給電腦，并在上位機上顯示數(shù)據(jù)值。

3 數(shù)據(jù)采集硬件設計

3.1 核心模塊設計

CC2530芯片用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE。CC2530芯片內(nèi)部集成了收發(fā)電路以及增強8051MCU內(nèi)核，只需外接部分輔助器件就可實現(xiàn)核心模塊的功能。

3.2 溫度傳感器DS18B20模塊設計

DS18B20溫度傳感器是單總線數(shù)字溫度傳感器。由于多個DS18B20溫度傳感器可同時共存于一根數(shù)據(jù)總線，這樣系統(tǒng)就能完成單總線多點溫度檢測。

3.3 濕度傳感器DHT11模塊設計

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是溫濕度復合傳感器，含有已校準數(shù)字信號輸出，且包含一個NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件，并與一個高性能8位單片機連接。

3.4 光敏電阻模塊設計

光敏電阻器是電阻值隨入射光的強弱而改變。當它受到光的照射時，半導體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子—空穴對，參與導電，使電路中電流增強。

3.5 電源模塊設計

此電路的工作電壓是3.3V，而usb供電是5V，電池供電不穩(wěn)定，四節(jié)1.5V電池供電一般是6V，所以采用轉(zhuǎn)換電壓的穩(wěn)壓器件AMS1117，可以把電壓轉(zhuǎn)換成3.3V。

3.6 串口通信模塊設計

串口通信模塊采用芯片PL2303集成的USB轉(zhuǎn)TTL電路，該芯片是一種RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器，且高度集成。

4 數(shù)據(jù)采集軟件設計

Z-Stack協(xié)議棧規(guī)定了硬件和軟件在不同層如何協(xié)調(diào)工作。網(wǎng)絡通信時，數(shù)據(jù)打包后，不同協(xié)議層的實體與對等實體間通信。發(fā)送方傳遞的數(shù)據(jù)包按從高到低的順序依次通過協(xié)議層，每一層按格式加入自己的信息，數(shù)據(jù)包到達物理層并在物理連接間互相傳遞。接收方的數(shù)據(jù)包從低到高依次向上通過協(xié)議層，在每一層提取出需在本層處理的信息，最后用戶得到數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)信息再繼續(xù)處理。當中斷事件發(fā)生，系統(tǒng)會被觸發(fā)到中斷處理事件，事件處理完畢后，則恢復到平時的低功耗運行模式。Z-Stack運行流程圖如圖1所示。

“osal_start_system（）”是操作系統(tǒng)的實體代碼而且是個死循環(huán)。系統(tǒng)不斷查詢每個任務中是否有事件發(fā)生，若有事件發(fā)生，先比較優(yōu)先級然后執(zhí)行相應的處理函數(shù)；若無事件發(fā)生則繼續(xù)查詢下一個任務，這樣不斷的循環(huán)運行。

5 總結(jié)

本文利用CC2530無線射頻芯片實現(xiàn)節(jié)點間的相互通信，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器與傳感器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器與PC機的串口通信等，完成數(shù)據(jù)采集的軟件搭建。通過對不同功能相應程序的下載，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及傳輸。

參考文獻

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[2]侯佳佳.基于ZigBee的溫室WSN監(jiān)測系統(tǒng)的設計與研究[D].江蘇：江蘇大學，2009.

作者簡介

李海威（1988-），男，遼寧省沈陽市人?，F(xiàn)為沈陽理工大學研究生在讀。研究方向為智能檢測與控制等。

作者單位

沈陽理工大學信息科學與工程學院 遼寧省沈陽市 110159