基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

趙子健

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所,沈陽110032）

基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

趙子健

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所,沈陽110032）

環(huán)境監(jiān)測在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)種植等行業(yè)應(yīng)用的非常廣泛。通過對ZigBee技術(shù)的應(yīng)用研究提出采用無線技術(shù)對環(huán)境各參數(shù)信號進(jìn)行監(jiān)測的總體方案。該方案采用CC2530單片機(jī)作為主控芯片，完成ZigBee無線通訊功能，采用溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器SHT11、甲烷傳感器MJC4/3.0L、甲醛傳感器MQ138完成對應(yīng)參數(shù)的采集，對監(jiān)測系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)用IAR Embedded Workbench對單片機(jī)CC2530程序進(jìn)行編寫，完成采集終端節(jié)點(diǎn)的軟件部分設(shè)計(jì)以及ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。最后，對無線傳輸環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行測試，驗(yàn)證了監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

ZigBee技術(shù)；無線通訊；環(huán)境監(jiān)測；傳感器

1 引言

ZigBee是一種專為無線設(shè)備間低功耗、短距離的通信而提供的無線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)、傳感器監(jiān)視和控制的標(biāo)準(zhǔn)，它通常用于要求低吞吐量的零星數(shù)據(jù)傳輸和大型網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用[1]。現(xiàn)有的ZigBee技術(shù)在許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，例如在許多工業(yè)生產(chǎn)中，需要通過電纜連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，但電纜和電線花費(fèi)太大。此外，放置在各種機(jī)器外的運(yùn)動(dòng)元件的測量和控制端的裝置由于長期強(qiáng)烈暴露在外，會造成嚴(yán)重的機(jī)械損傷，而運(yùn)用無線ZigBee技術(shù)則可以消除這些問題。將ZigBee技術(shù)運(yùn)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可滿足可擴(kuò)展、低成本的需求[2]。

目前，我國在基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究主要集中在理論研究和節(jié)點(diǎn)實(shí)用化方面[3]。基于無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測環(huán)境系統(tǒng)還存在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、受距離的限制等缺點(diǎn)，需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建立低時(shí)延低能耗，采集控制不受距離限制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提高性能指標(biāo)信息采集和環(huán)境控制的實(shí)時(shí)性。

本課題主要設(shè)計(jì)了基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對無線網(wǎng)絡(luò)包括GPRS和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以及測溫濕節(jié)點(diǎn)和氣體檢測節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。本測溫濕系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無線自組網(wǎng)通信，采用無線通信技術(shù)很好的解決了設(shè)備溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)母綦x問題，本溫濕度監(jiān)測方案具有很好的抗干擾能力，性價(jià)比高，很大程度上保證了設(shè)備運(yùn)行的可靠性[4]。

2 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案主要實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)測環(huán)境，主要監(jiān)測的內(nèi)容包括溫度、濕度、氣體（瓦斯與甲醛），這些參數(shù)指標(biāo)通過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柟┲骺匦酒杉?，采集后的各性能參?shù)通過無線方式發(fā)送出去，主要有兩種發(fā)送方式，一種是通過天線作為接收端獲得采集回的信號再通過串口發(fā)送到上位機(jī)上，另一種則是通過無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將信號通過通信運(yùn)營商基站發(fā)送到電腦上位機(jī)上。

如圖1所示，確定的無線傳輸環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案就需要確定所需要監(jiān)測的環(huán)境指標(biāo)，在該系統(tǒng)中采用的參數(shù)傳感器為溫度傳感器、濕度傳感器、甲烷傳感器以及甲醛傳感器，傳感器將采集到的物理信號轉(zhuǎn)換為電信號，電信號通過單片機(jī)進(jìn)行模擬量的采集，單片機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集后，將數(shù)據(jù)傳輸給無線發(fā)送模塊，再通過天線將采集的信號數(shù)據(jù)傳遞出去，無線接收模塊接收到信號后在通過串口模塊將信號通過RS232轉(zhuǎn)換到USB，再通過電腦的串口將數(shù)據(jù)傳遞給PC上位機(jī)中，完成整個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)圖

無線傳輸方式利用ZigBee技術(shù)以及GPRS技術(shù)將數(shù)據(jù)通過無線的方式進(jìn)行傳輸，這兩種無線傳輸?shù)姆绞骄梢詽M足對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的傳輸，但根據(jù)GPRS需要借助各通信公司的數(shù)據(jù)基站完成數(shù)據(jù)的傳遞，受使用地區(qū)網(wǎng)絡(luò)信號的影響比較嚴(yán)重[5]。綜上所述，本次設(shè)計(jì)采用的無線傳輸方式為ZigBee技術(shù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該方案采用CC2530單片機(jī)作為主控芯片，完成ZigBee無線通訊功能，采用溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器SHT11、甲烷傳感器MJC4/3.0L、甲醛傳感器MQ138完成對應(yīng)參數(shù)的采集，對監(jiān)測系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 CC2530單片機(jī)

根據(jù)TI公司的CC2530F256芯片手冊設(shè)計(jì)的主控芯片最小系統(tǒng)電路如下圖2所示。

3.2 終端信號采集

溫度信號：本方案擬采用DS18B20作為系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器。DS18B20具有硬件結(jié)構(gòu)簡單，測溫范圍寬，測溫精度高等特點(diǎn)。溫度傳感器硬件設(shè)計(jì)如下圖3所示。

圖2 主控單片機(jī)設(shè)計(jì)

圖3 溫度傳感器硬件設(shè)計(jì)

濕度信號：SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器是由瑞士的Sensirion公司設(shè)計(jì)的，是一種帶有兩線制串行接口的復(fù)合式傳感器[6]。SHT11精度高，片內(nèi)集成溫感元件和濕感元件，在測量濕度時(shí)可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高了測量的精度。硬件電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 濕度傳感器硬件設(shè)計(jì)

甲烷信號：本方案選用的甲烷傳感器是MJC4/3.0L型氣敏元件，該傳感器的檢測原理是預(yù)先加熱鉑絲RS，可燃?xì)怏w在接觸到涂有催化劑的敏感元件后燃燒，產(chǎn)生的熱量使本身的電阻值產(chǎn)生變化，通過測量與補(bǔ)償元件RH的對比輸出得到氣體的濃度，根據(jù)甲烷傳感器的應(yīng)用特性，對甲烷傳感器的外部電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 甲烷傳感器硬件電路設(shè)計(jì)

甲醛信號：甲醛濃度數(shù)據(jù)的獲取主要依靠甲醛傳感器。鑒于二氧化錫(SnO2)在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的特點(diǎn)，MQ138氣體傳感器采用它作為氣敏材料。硬件電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.3 串口設(shè)計(jì)

采用RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器來設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)與PC之間的通信，不但使用起來簡單，而且能夠不必考慮大量的軟件程序編寫，避免編寫復(fù)雜的協(xié)議。本課題擬利用PL-2303這款RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器來完成相應(yīng)的通信功能，其電氣原理圖如下圖7所示。

圖6 甲醛傳感器設(shè)計(jì)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖7 PL2303電氣原理圖

測溫節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備都有針對其硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)針對節(jié)點(diǎn)的主控芯片CC2530所采用的軟件開發(fā)集成環(huán)境為IAR Embedded Workbench for 8051v8.10集成開發(fā)環(huán)境。這里主要介紹傳感器終端軟件設(shè)計(jì)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器上電之后，它會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的類型在協(xié)議的基礎(chǔ)之上自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)協(xié)調(diào)器和路由器以及終端節(jié)點(diǎn)上電之后，他們會周期性的給網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點(diǎn)廣播數(shù)據(jù)包，利用一個(gè)隨機(jī)函數(shù)來調(diào)整它們之間的延時(shí)。每一個(gè)終端設(shè)備把采集到的溫度等參數(shù)數(shù)據(jù)通過點(diǎn)播的方式把數(shù)據(jù)包統(tǒng)一發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口把數(shù)據(jù)包發(fā)送給上位機(jī)，利用上位機(jī)軟件來對來自不同測溫點(diǎn)的數(shù)據(jù)包的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分[7]。開發(fā)人員在軟件開發(fā)的時(shí)候主要考慮函數(shù)的應(yīng)用層以及主函數(shù)的編寫，來完成系統(tǒng)的功能[8]。傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖8所示。

5 結(jié)束語

基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為我們獲取信息提供了一個(gè)全新的平臺，利用它，我們能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測和采集在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)信息。它具備低功耗、低成本、自組織等優(yōu)點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不需要人為管理就可以隨時(shí)加入/退出網(wǎng)絡(luò)，這符合我們對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的要求。綜上所述，基于ZigBee無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究有很大的實(shí)用意義。

圖8 傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

[1]S.Tao,W.Wei,L.X.Dong et.Routing Protocol with Multiple Feedback Policy for Zigbee Network [C].IEEE 13th InternationalSymposium on ConsumerElectronics.20 09:483-487.

[2]董海濤，屈玉貴，趙保華．ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．電子技術(shù)應(yīng)用．2007(12)：124-126．Dong Haitao,Qu Yugui,Zhao Baohua.Design and Implementation of ZigBee Wireless Sensor Network Platform[J].Electronic Technology Applications.2007(12):124-2007.

[3]王剛.溫度無線采集旳系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技信息，2008(11)：65-66．Wang Gang.System Design of Temperature Wireless Acquisition[J].Technical Information,2008(11):65-66.

[4]S.Wen-Tsai,H.Yao-Chi.Designing an industrial real-time measurement and monitoring system based on embedded system and ZigBee [J].Expert Systems with Applications.2011(38):4522–4529.

[5]ZigBee Alliance.ZigBee Specification 2007 ZigBee Document 053474r17[S].U.S.:ZigBee Alliance Inc,2008.

[6]董亞超.基于ZigBee技術(shù)的無線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)[D].大連理工大學(xué),2008.Dong Yachao.Development of Wireless Environment Monitoring Network Based on ZigBee Technology[D].Dalian University of Technology,2008.

[7]張立立,徐勇,孫開宇.基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,(05):139-142.Zhang Lili,Xu Yong,Sun Kaiyu.Development of Wireless Data Acquisition System Based on ZigBee Technology[J].Experimental Technology and Management,2012,(05):139-142.

[8]張青春.基于Zigbee技術(shù)的火災(zāi)探測報(bào)警傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].中國測試,2013,(04):73-75+80.Zhang Qingchun.Design of Fire Detection Alarm Sensor Network Based on Zigbee Technology[J].China Testing,2013,(04):73-75+80.

Design and Research of Wireless Environment Monitoring System Based on ZigBee

Zhao Zijian
(The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China)

Environmental monitoring is widely used in modern industrial production，agricultural cultivation and other industries.With the application of ZigBee technology,this paper puts forward the overall scheme of the monitoring signal environment parameters using wireless communication technology.CC2530 microcontroller is used as the main control chip to complete the ZigBee wireless communication function.The temperature sensor DS18B20,humidity sensor SHT11,methane sensor MJC4/3.0L and formaldehyde sensor MQ138 are used to complete the collection of the corresponding parameters,and each module of the monitoring system is designed.This paper uses IAR Embedded Workbench as programming software.The software design of the acquisition terminal node and the design of the ZigBee coordinator node are completed.Finally,the wireless transmission environment monitoring system is tested to verify the accuracy of the monitoring system.

ZigBee technology;Wireless communication;Environment monitoring;Sensor

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.022

B

1002-2279-（2017）04-0091-05

趙子健（1989—），男，遼寧沈陽人，助理工程師，主研方向：集成應(yīng)用。

2017-08-16