基于ZigBee的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏鑫+韋海成

摘 要： 針對傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)傳輸距離短、采集到的數(shù)據(jù)形式單一且需要進(jìn)行人工處理的缺陷，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個基于ZigBee的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測人機(jī)交互系統(tǒng)。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、ZigBee無線傳感網(wǎng)和LabVIEW人機(jī)交互界面三部分組成。數(shù)據(jù)采集終端以STM32微控制器為主控芯片，連接各傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集終端通過ZigBee無線傳感網(wǎng)和USB轉(zhuǎn)串口模塊與上位機(jī)通信，上位機(jī)通過LabVIEW人機(jī)交互界面將數(shù)據(jù)采集終端測得的環(huán)境數(shù)據(jù)以儀表和折線圖的形式顯示出來。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性較強(qiáng)、傳輸距離較遠(yuǎn)，且無需人工處理即可將每天測得的環(huán)境數(shù)據(jù)以折線圖形式直觀展現(xiàn)出來，具有一定的科研意義和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： ZigBee無線傳感網(wǎng)； LabVIEW人機(jī)交互界面； 環(huán)境監(jiān)測； STM32

中圖分類號： TN915?34； TN98； X859 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0156?05

Design of ZigBee?based human?computer interactive system for remote

environment monitoring

WEI Xin， WEI Haicheng

（School of Electrical and Information Engineering， Beifang Univesity of Nationality， Yinchuan 750021， China）

Abstract： The traditional indoor environment monitoring system has some defects that its transmission distance is short， and the collected data is in a single form and needs to be processed manually. In order to resolve the defects， a ZigBee?based human?computer interactive system for remote environmental monitoring was designed and implemented. The modular design scheme is used in the system. The entire system consists of three parts： data acquisition terminal， ZigBee wireless sensor network and LabVIEW human?computer interactive interface. The data acquisition terminal takes STM32 microcontroller as the main chip to connect sensors and collect environmental data， and communicates with the host computer through ZigBee wireless sensor network module and serial module connecting with USB. The host computer displays the environment data acquired by the data collection terminal in the forms of instrument and broken line graph via LabVIEW human?computer interactive interface. The experiment results show that the system has high stability， perfect scalability and long transmission distance， and can display the measured?daily environmental data without manual processing in the form of line chart， which has certain scientific significance and practical value.

Keywords： ZigBee wireless sensor network； LabVIEW human?computer interactive interface； environmental monitoring； STM32

隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展，各種大型公共場所（電影院、大會堂、舞廳等）也越來越多。伴隨著人們健康意識的提高，在各種大型公共場所參加活動的同時(shí)，人們越來越關(guān)心自己所處場所的環(huán)境質(zhì)量是否合格[1]。目前市面上流通的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大都利用WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]，傳輸距離較短（0～50 m）且大都只是簡單地將某時(shí)刻的環(huán)境數(shù)據(jù)以數(shù)字形式顯示出來[3]。也有少量室內(nèi)環(huán)境檢測系統(tǒng)采用ZigBee無線傳感網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但其上位機(jī)只是簡單顯示某時(shí)刻的環(huán)境數(shù)據(jù)[4]，不能顯示環(huán)境數(shù)據(jù)的變化情況。后續(xù)還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行人工處理與分析，造成了勞動力資源和時(shí)間的浪費(fèi)。

針對這一現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個基于ZigBee的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測人機(jī)交互系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、ZigBee無線傳感網(wǎng)和LabVIEW人機(jī)交互界面三部分組成。數(shù)據(jù)采集終端以STM32微控制器為主控芯片，連接各傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并在OLED顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)采集終端通過ZigBee無線傳感網(wǎng)和USB轉(zhuǎn)串口模塊與上位機(jī)通信，上位機(jī)通過LabVIEW人機(jī)交互界面將數(shù)據(jù)采集終端測得的環(huán)境數(shù)據(jù)儀表以折線圖的形式顯示出來。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。endprint

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集終端、ZigBee模塊和USB轉(zhuǎn)串口模塊的硬件設(shè)計(jì)。

2.1 數(shù)據(jù)采集終端的硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端硬件由主控模塊、各傳感器模塊和顯示模塊組成。數(shù)據(jù)采集終端的硬件框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端硬件框圖

2.1.1 主控模塊

選用意法半導(dǎo)體公司的基于ARM Cortex?M3內(nèi)核的STM32微控制器STM32F103RBT6為數(shù)據(jù)采集終端的主控芯片。該芯片為LQFP64封裝，內(nèi)部有128 KB FLASH和20 KB SRAM，最高支持主頻72 MHz，擁有2個SPI接口、2個USART接口、1個USB接口、2個I2C接口和7個定時(shí)器[5]。STM32微控制器與電源電路、晶振電路、復(fù)位電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、調(diào)試接口、串行通信接口等電路構(gòu)成STM32最小系統(tǒng)。STM32最小系統(tǒng)即為數(shù)據(jù)采集終端的主控模塊，主要完成與數(shù)據(jù)采集終端的各傳感器模塊和顯示模塊的通信以及對各功能模塊的控制。主控模塊首先根據(jù)DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的單總線傳輸機(jī)制完成與溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)通信，接著按照I2C總線的通信機(jī)制完成與BH1750FVI數(shù)字光照度傳感器的數(shù)據(jù)通信，然后對于MQ?135有害氣體傳感器檢測到的環(huán)境中有害氣體濃度的值進(jìn)行A/D量化處理，再對于灰塵傳感器檢測到的灰塵濃度進(jìn)行A/D量化處理，最后將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)在OLED顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。

2.1.2 各傳感器模塊

（1） 溫濕度傳感器模塊。對環(huán)境中的溫度和濕度的檢測選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器模塊。其精度為溫度±2 ℃，濕度±5%RH，量程為濕度20%RH～90%RH，溫度0～50 ℃。DHT11溫濕度傳感器模塊采用單線制串行接口，具有響應(yīng)快速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[6]。

（2） 光照度傳感器模塊。對環(huán)境中的光照強(qiáng)度的檢測選用BH1750FVI光照度傳感器模塊。該傳感器是一種采用I2C總線接口的傳感器，可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來進(jìn)行光照度的檢測，支持較大范圍（1～65 535 lx）的光照強(qiáng)度變化[7]，系統(tǒng)將光照傳感器設(shè)置為H分辨率模式，分辨率為1 lx。

（3） 有害氣體傳感器模塊。對環(huán)境中有害氣體的檢測選用MQ?135有害氣體傳感器模塊。該傳感器對氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其他有害氣體的監(jiān)測也較理想，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器[8]。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大。

（4） 灰塵傳感器模塊。對環(huán)境中的灰塵濃度的檢測采用夏普公司的GP2Y1010AU0F灰塵傳感器模塊。該傳感器內(nèi)部的紅外二極管，可以輸出一個跟灰塵濃度成線性關(guān)系的電壓值，通過該電壓值即可計(jì)算出空氣中直徑大于 0.8 μm 灰塵顆粒的含量[9]。

2.1.3 顯示模塊

選用采用7針的 SPI接口、分辨率為 128×64的 0.96 寸 OLED 顯示屏作為數(shù)據(jù)采集終端的顯示模塊。OLED顯示屏具有自發(fā)光、分辨率高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快等優(yōu)異特性。

2.2 ZigBee模塊的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的ZigBee模塊包括ZigBee終端和ZigBee協(xié)調(diào)器，兩者的硬件設(shè)計(jì)相同，均選用TI公司的CC2530核心板。CC2530核心板主要包括CC2530單片機(jī)、天線、晶振及I/O擴(kuò)展接口，CC2530核心板的主控芯片是CC2530單片機(jī)。CC2530單片機(jī)是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時(shí)支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機(jī)[10]。天線部分采用巴倫匹配和外置高增益SMA天線，接收靈敏度高、發(fā)送距離遠(yuǎn)、空曠環(huán)境最大傳輸距離可達(dá)1 000 m。ZigBee終端與數(shù)據(jù)采集終端通過串口進(jìn)行通信，其通信示意圖如圖3所示。

2.3 USB轉(zhuǎn)串口模塊的硬件設(shè)計(jì)

使用USB轉(zhuǎn)串口模塊將傳統(tǒng)的串口設(shè)備變成了即插即用的USB設(shè)備，方便只有USB接口的計(jì)算機(jī)與串口設(shè)備進(jìn)行通信，提高了系統(tǒng)的通用性。模塊采用英國進(jìn)口的原裝USB轉(zhuǎn)串口芯片F(xiàn)T232RL，集成度高，性能也較國產(chǎn)芯片更優(yōu)良。USB轉(zhuǎn)串口模塊與ZigBee協(xié)調(diào)器以及上位機(jī)之間的通信示意圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括三部分：數(shù)據(jù)采集終端的軟件設(shè)計(jì)、ZigBee無線傳感網(wǎng)的軟件設(shè)計(jì)、LabVIEW人機(jī)交互界面的軟件設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)采集終端的軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端以STM32F103RBT6為主控芯片，連接各傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，利用STM32芯片的內(nèi)部定時(shí)器，每隔2 s采集一次環(huán)境數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)在OLED顯示屏上實(shí)時(shí)顯示。在接收到上位機(jī)通過ZigBee無線傳感網(wǎng)發(fā)來的上傳采集數(shù)據(jù)指令后，開啟串口中斷，將環(huán)境數(shù)據(jù)以字符串形式，且按照溫度、濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度、灰塵濃度的順序，通過串口發(fā)送到ZigBee終端。數(shù)據(jù)采集終端程序流程圖如圖5所示。

3.2 ZigBee無線傳感網(wǎng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個ZigBee協(xié)調(diào)器和多個ZigBee終端組成。每個ZigBee終端對應(yīng)一個數(shù)據(jù)采集終端，兩者通過串口通信。ZigBee協(xié)調(diào)器以廣播的形式向多個ZigBee終端發(fā)送指令，指令內(nèi)容為某數(shù)據(jù)采集終端的編號。ZigBee終端收到ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)來的指令后以單播的形式向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送對應(yīng)編號的數(shù)據(jù)采集終端采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，各ZigBee終端之間不進(jìn)行通信。ZigBee無線傳感網(wǎng)的組網(wǎng)示意圖如圖6所示，ZigBee無線傳感網(wǎng)程序流程圖如圖7所示。

3.3 LabVIEW人機(jī)交互界面的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位機(jī)界面是采用NI（National Instruments）公司的LabVIEW集成開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)的。LabVIEW是一個使用圖形符號來編寫程序的編程環(huán)境，使用圖形編程語言能夠極大地提高編程效率[11]。LabVIEW人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)的主要功能為：串口通信、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)顯示。LabVIEW人機(jī)交互界面前面板如圖8所示。

3.3.1 串口通信

上位機(jī)是通過串口與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信的，在LabVIEW中利用儀器編程標(biāo)準(zhǔn)I/O應(yīng)用程序接口VISA實(shí)現(xiàn)串口通信[12]，主要包括串口配置、串口發(fā)送和串口接收。本系統(tǒng)通過VISA配置串口函數(shù)，設(shè)置的串口波特率為9 600 b/s，數(shù)據(jù)比特為8 b，無奇偶校驗(yàn)位，1位停止位。串口發(fā)送利用的是VISA寫入函數(shù)，串口接收利用的是VISA讀取函數(shù)。LabVIEW人機(jī)交互界面利用函數(shù)VISA寫入函數(shù)以字符串形式將數(shù)據(jù)采集終端編號通過串口發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，通過VISA讀取函數(shù)接收ZigBee協(xié)調(diào)器上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.3.2 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲利用了LabVIEW的寫入文本文件和創(chuàng)建路徑兩個函數(shù)。利用創(chuàng)建文件函數(shù)先創(chuàng)建一個空白文件，再利用寫入文本文件函數(shù)將采集到數(shù)據(jù)按照序號、溫度、濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度、灰塵濃度、當(dāng)前時(shí)間的順序從左到右寫入到該文本文件，方便后續(xù)對這些環(huán)境數(shù)據(jù)的查看。

3.3.3 數(shù)據(jù)顯示

系統(tǒng)將采集到溫度、濕度、光照強(qiáng)度、有害氣體濃度、灰塵濃度通過LabVIEW里面的儀表選板和波形圖選板展現(xiàn)出來。LabVIEW上位機(jī)每隔6 min向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送一次數(shù)據(jù)采集指令，每小時(shí)采集10次數(shù)據(jù)，每天采集240次數(shù)據(jù)。同時(shí)，LabVIEW前面板上還實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前時(shí)間，這樣公共場所某區(qū)域每天的環(huán)境數(shù)據(jù)就通過儀表和折線圖直觀地展示出來。

4 系統(tǒng)測試

對系統(tǒng)各部分的基本功能進(jìn)行了測試，并對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證。

4.1 數(shù)據(jù)采集終端的功能測試

在北方民族大學(xué)智能建筑實(shí)驗(yàn)室對數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行了測試。系統(tǒng)上電運(yùn)行后，數(shù)據(jù)采集終端的主控芯片STM32F103RBT6能夠?qū)崟r(shí)接收到各傳感器采集的相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)每隔2 s在OLED顯示屏上顯示1次。

4.2 ZigBee傳感網(wǎng)通信距離測試

在北方民族大學(xué)校園空曠地帶對ZigBee無線傳感網(wǎng)的通信距離進(jìn)行了測試，實(shí)測本系統(tǒng)采用的ZigBee終端和ZigBee協(xié)調(diào)器點(diǎn)對點(diǎn)通信距離可達(dá)342 m，與通常家庭使用的利用WiFi（傳輸距離為20～50 m）的路由器相比，傳輸距離有顯著提高。

4.3 LabVIEW人機(jī)交互界面功能測試

在北方民族大學(xué)智能建筑實(shí)驗(yàn)室對LabVIEW人機(jī)交互界面進(jìn)行了測試。LabVIEW上位機(jī)每隔6 min通過串口發(fā)送1次數(shù)據(jù)采集指令，1天發(fā)送240次指令，每發(fā)送1次指令就接收1次環(huán)境數(shù)據(jù)，并在LabVIEW上位機(jī)前面板上用儀表和折線圖的形式直觀地將環(huán)境數(shù)據(jù)顯示出來，同時(shí)在生成的文本文檔中可以查看已經(jīng)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9～圖11分別為從2016年7月25日0點(diǎn)0分—2016年7月26日0點(diǎn)0分采集到的室內(nèi)溫度和濕度數(shù)據(jù)變化折線圖、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)變化折線圖以及灰塵濃度和有害氣體濃度數(shù)據(jù)變化折線圖。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖9可看出，在2016年7月25日室內(nèi)溫度，在4點(diǎn)左右達(dá)到最低溫度21 ℃。在16點(diǎn)左右達(dá)到最高溫度34 ℃。溫度從4點(diǎn)開始逐漸升高到16點(diǎn)達(dá)到最高，然后逐漸下降到4點(diǎn)達(dá)到最低。相對濕度在5點(diǎn)左右達(dá)到最高78%RH，在17點(diǎn)左右達(dá)到最低28%RH。濕度從5點(diǎn)開始逐漸降低到17點(diǎn)達(dá)到最低，然后逐漸升高到5點(diǎn)達(dá)到最高。從圖10可以看出，在2016年7月25日室內(nèi)光照強(qiáng)度從5點(diǎn)開始增大，在13點(diǎn)左右達(dá)到最大值273 lx，之后一直減小，直到18點(diǎn)左右開啟日光燈，光照強(qiáng)度由75 lx突變到165 lx，隨著時(shí)間的推遲，自然光的光照強(qiáng)度越來越低，室內(nèi)的光照強(qiáng)度也越來越低，到21點(diǎn)左右室內(nèi)光照強(qiáng)度穩(wěn)定在95 lx，23點(diǎn)關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室內(nèi)日光燈，光照強(qiáng)度驟降為2 lx。

從圖11可以看出，在2016年7月25日室內(nèi)的有害氣體濃度在6點(diǎn)最低為9 ppm，在13點(diǎn)最高為22 ppm。從0—1點(diǎn)升高在1點(diǎn)為17 ppm，從1—6點(diǎn)持續(xù)降低，從6—13點(diǎn)持續(xù)升高，之后開始下降到15點(diǎn)為15 ppm，從15—19點(diǎn)持續(xù)升高，在19點(diǎn)達(dá)到18 ppm，19點(diǎn)以后持續(xù)降低到第二天0點(diǎn)為15 ppm?；覊m濃度在6點(diǎn)最低為52 μg/m3，在14點(diǎn)最高為86 μg/m3。從1—6點(diǎn)持續(xù)下降，從6—14點(diǎn)大體維持上升趨勢，從14—17點(diǎn)持續(xù)下降為65 μg/m3，在17—19點(diǎn)持續(xù)上升為76 μg/m3，從17—22點(diǎn)保持下降趨勢為66 μg/m3，從22—1點(diǎn)持續(xù)上升為77 μg/m3。

6 結(jié) 語

本文系統(tǒng)將價(jià)格相對低廉的STM32微處理器、技術(shù)相對成熟的ZigBee無線傳感網(wǎng)和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大的LabVIEW相結(jié)合。以STM32為主控芯片連接各傳感器和OLED顯示屏設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集終端，進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與顯示，采用ZigBee無線傳感網(wǎng)傳輸環(huán)境數(shù)據(jù)，利用LabVIEW強(qiáng)大的圖形顯示和數(shù)據(jù)處理功能實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的儀表和波形圖顯示。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端采集數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確，傳輸距離較遠(yuǎn)，測得環(huán)境數(shù)據(jù)無需人工處理直接轉(zhuǎn)化為儀表和折線圖顯示，滿足大型公共場所環(huán)境信息監(jiān)測的需求。同時(shí)，系統(tǒng)所有硬件均采用模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同場合需求增加或更換不同的傳感器模塊，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。系統(tǒng)還具有組網(wǎng)快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，有一定的科研意義和應(yīng)用價(jià)值。

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