基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

沈益輝+秦會斌

摘要：

針對傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測方法耗費人力、監(jiān)測區(qū)域有限等問題，提出將Zigbee應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。以CC2430模塊為核心構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將采集的土壤溫濕度、空氣溫濕度數(shù)據(jù)傳輸至遠程監(jiān)測中心，通過上位機軟件讀取與儲存環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)遠程監(jiān)測。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效監(jiān)控環(huán)境參數(shù)。

關(guān)鍵詞：

環(huán)境監(jiān)測；Zigbee；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

DOIDOI：10.11907/rjdk.172058

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）012-0102-04

Abstract：Aiming at problems of manpower and restricted area of traditional environmental monitoring system，propose using Zigbee inenvironmental monitoring system. Wirlesssensor networks（WSNs） is built，which uses CC2430，the temperature and humidity value of the soil and air are collected by sensor and sent to remote monitoring center. Environmental data can read and store by PC software which realizes remote monitoring of environmental variables. Test results show that the system can monitor environmental parameters effectively.

Key Words：environmental monitoring；Zigbee； wirless sensor networks（WSNs）

0 引言

傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測方法一般通過人工方式使用溫度、濕度等測量儀器測量環(huán)境參數(shù)，耗費大量人力、財力，而且在環(huán)境惡劣檢測區(qū)很難使用人工方式實時監(jiān)測，這些都是傳統(tǒng)監(jiān)測方法的弊端[1]。

近年，無線傳感技術(shù)成為研究熱點，該技術(shù)逐漸被引入環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點構(gòu)成，通過無線通信方式形成一個自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[2]。節(jié)點之間通過相互協(xié)作實現(xiàn)感知與采集環(huán)境信息參數(shù)，并可發(fā)送給遠程用戶。環(huán)境監(jiān)測使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可更智能與有效監(jiān)測環(huán)境信息，這也是未來環(huán)境監(jiān)測發(fā)展趨勢。

Zigbee因功耗低、節(jié)點數(shù)多等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。無人居住惡劣環(huán)境下進行測量使用Zigbee技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無人看守、功耗低要求，Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將獲得的土壤與空氣溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送用戶監(jiān)控中心，實現(xiàn)環(huán)境自動化監(jiān)控。

1 系統(tǒng)設(shè)計

基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)終端模塊、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器模塊、采集節(jié)點組成。采集節(jié)點使用CC2430模塊獲得傳感器獲得的土壤與空氣溫濕度信息，以無線多跳方式傳給匯聚節(jié)點[3]。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器處理采集數(shù)據(jù)后傳給數(shù)據(jù)終端；數(shù)據(jù)終端通過GPRS服務(wù)端獲得數(shù)據(jù)使用上位機進行存儲與顯示，最終實現(xiàn)遠程監(jiān)控環(huán)境功能?；赯igbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.1 采集節(jié)點

采集節(jié)點是Zigbee組網(wǎng)設(shè)備終端，采集與處理傳感器數(shù)據(jù)并將環(huán)境參數(shù)發(fā)送匯聚節(jié)點。本系統(tǒng)采集節(jié)點由傳感器、CC2430、信號調(diào)節(jié)電路組成。溫度與濕度傳感器采集土壤與空氣溫濕度環(huán)境參數(shù)；CC2430模塊模擬化處理環(huán)境變量并發(fā)送匯聚節(jié)點；信號調(diào)節(jié)電路可實現(xiàn)對傳感器供電等作用。采集節(jié)點框架如圖2所示。

1.2 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器

數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器由工控機、GPRS模塊、匯聚節(jié)點組成。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器既要處理所有采集節(jié)點數(shù)據(jù)，又要與遠程數(shù)據(jù)處理中心上位機進行通信。匯聚節(jié)點為Zigbee組網(wǎng)中協(xié)調(diào)器角色，采集節(jié)點獲得的環(huán)境參數(shù)通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過串口通信方式將數(shù)據(jù)傳送工控機，接著使用GPRS模塊將參數(shù)傳輸至中轉(zhuǎn)服務(wù)器，等待遠程上位機接收[4]。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器框圖如圖3所示。

1.3 終端數(shù)據(jù)

遠程數(shù)據(jù)終端由上位機、數(shù)據(jù)庫與GPRS服務(wù)端組成。上位機從GPRS服務(wù)端獲得數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器發(fā)送的環(huán)境參數(shù)，進行存儲與顯示，數(shù)據(jù)庫管理得到的環(huán)境參數(shù)。終端數(shù)據(jù)框架如圖4所示。

2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采集節(jié)點通過傳感器周期性采集土壤與空氣溫濕度環(huán)境參數(shù)并傳輸至匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點處理數(shù)據(jù)后以串口方式傳給工控機，工控機通過GPRS方式將數(shù)據(jù)傳給遠程上位機。因此，本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸。

2.1 數(shù)據(jù)采集軟件

2.1.1 傳感器

傳感器數(shù)據(jù)采集主要為獲取待測環(huán)境里土壤與空氣溫濕度參數(shù)。傳感器采集軟件流程設(shè)計如圖5所示。

傳感器數(shù)據(jù)采集通過輪詢方式實現(xiàn)。每次通過輪詢判斷待測環(huán)境變量傳感器控制標志是否打開，若打開則控制信號調(diào)節(jié)電路打開傳感器電源供電，傳感器進行數(shù)據(jù)溫濕度采集。

2.1.2 采集節(jié)點

采集節(jié)點數(shù)據(jù)采集主要通過CC2430模塊獲得傳感器得到的原始環(huán)境參數(shù)。CC2430模塊處理傳感器采集的數(shù)字參數(shù)得到模擬量數(shù)據(jù)。采集節(jié)點數(shù)據(jù)采集軟件流程設(shè)計如圖6所示。

采集節(jié)點數(shù)據(jù)采集過程如下：①進行初始化操作，包括協(xié)議棧與SPI總線操作；②加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)，入網(wǎng)操作是指所有節(jié)點自組網(wǎng)過程；③在OSAL控制下查詢有沒有任務(wù)被置位，進行環(huán)境參數(shù)采集任務(wù)，沒有采集任務(wù)或采集任務(wù)已完成進入休眠狀態(tài)，同時采用時間校準方式保證各個節(jié)點時間同步。通過節(jié)點采集可獲得傳感器得到的環(huán)境參數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)通信

2.2.1 采集節(jié)點

采集節(jié)點數(shù)據(jù)通信主要為接收的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送匯聚節(jié)點。采集節(jié)點通過z-stack協(xié)議棧與匯聚節(jié)點通信，進行初始化操作。采集節(jié)點數(shù)據(jù)通信軟件流程設(shè)計如圖7所示。

通過OSAL控制采集節(jié)點與匯聚節(jié)點間通信，進行無線傳輸，通過創(chuàng)建的SampleAPP進行處理。若引入的消息事件（SYS EVENT）被觸發(fā)，判斷觸發(fā)事件類型。收到AF層數(shù)據(jù)時首先進行數(shù)據(jù)處理，之后判斷與匯聚節(jié)點的通信事件是否被觸發(fā)，被觸發(fā)后即可進行采集節(jié)點與匯聚節(jié)點間通信。通信事件主要包括本地采集數(shù)據(jù)上傳、節(jié)點配置、事件校準、本地節(jié)點鄰居表上傳及本地路由表上傳[5]。

2.2.2 匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)通信主要是與采集節(jié)點、工控機的通信過程。采集節(jié)點得到環(huán)境數(shù)據(jù)通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點獲得數(shù)據(jù)通過串口傳給工控機[6]。創(chuàng)建一個SampleApp處理匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)通信，此任務(wù)創(chuàng)建串口通信、無線通信、休眠3個事件。匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)通信軟件流程設(shè)計如圖8所示。

匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)通信流程如下：①匯聚節(jié)點完成z-stack初始化配置；②啟動構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)，首先本身加入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，然后允許與本節(jié)點通信的節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，最后對采集的節(jié)點進行點名操作，判斷網(wǎng)絡(luò)是否構(gòu)建完畢，此為Zigbee自組網(wǎng)過程[7]；③通知工控機可進行通訊，利用OSAL控制數(shù)據(jù)傳輸，當串口通信被置位，與工控機通訊。當無線通訊事件被置位，與采集的節(jié)點通訊，否則進入休眠降彽功耗。

2.2.3 數(shù)據(jù)終端

數(shù)據(jù)終端數(shù)據(jù)通信由上位機軟件通過GPRS服務(wù)端接收數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器傳輸?shù)沫h(huán)境參數(shù)。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)器的工控機接收環(huán)境變量后通過GPRS模塊將Zigbee傳感網(wǎng)絡(luò)收集的環(huán)境參數(shù)傳輸至GPRS服務(wù)端，遠程上位機讀取GPRS服務(wù)端數(shù)據(jù)進行存儲與可視化顯示，方便用戶實時監(jiān)控待測環(huán)境變量[8]。

3 實驗

選取一塊草地對本系統(tǒng)進行測試。在大概150m＼+2范圍使用采集節(jié)點，按正八邊形頂點位置放置。使用1個匯集節(jié)點，放在8個采集節(jié)點中心區(qū)域。采集節(jié)點上布置土壤、空氣溫濕度傳感器，每10min傳感器采集1次環(huán)境變量，原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后通過Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳至遠程控制中心上位機軟件，上位機讀取得到溫濕度環(huán)境參數(shù)（見表1）。

本系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)處理方式是采集與傳輸，傳輸過程不會對系統(tǒng)待測參數(shù)帶來誤差，誤差主要發(fā)生在數(shù)據(jù)采集過程。對比采集的溫濕度數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)可知，誤差原因在于溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)及CC2430模塊數(shù)模轉(zhuǎn)換的精度誤差[9]。

4 結(jié)語

本文將Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于檢測土壤與空氣溫濕度環(huán)境參數(shù)，通過GPRS傳輸數(shù)據(jù)至控制中心上位機軟件，實現(xiàn)用戶遠程監(jiān)控。Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計具有智能化、實時性高、檢測范圍廣等優(yōu)點，對未來環(huán)境監(jiān)測發(fā)展方向有重要指導(dǎo)意義[10]。但也存在不足，如何通過參數(shù)得到最優(yōu)化的評估系統(tǒng)環(huán)境需要進一步探索。

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（責(zé)任編輯：何 麗）