基于ARM和WSN技術(shù)的環(huán)境信息檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 瑞，張 雄，楊延寧，王蕭揚(yáng)

（延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000）

0 引 言

在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域中，無線數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。禽類生活環(huán)境復(fù)雜且多變，使得現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)限制了養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。針對(duì)無線環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中禽舍環(huán)境信息監(jiān)測的多樣化，設(shè)計(jì)一種智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)尤為重要，通過多點(diǎn)實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并控制設(shè)備及時(shí)改善室內(nèi)環(huán)境，達(dá)到科學(xué)養(yǎng)殖的目的[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， WSN）可通過各種傳感器實(shí)時(shí)感知和采集各種監(jiān)測對(duì)象的信息，并將采集到的信息以多跳無線網(wǎng)絡(luò)傳送方式傳送給用戶[2]。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)等部分在以ARM為核心的開發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行，具有豐富的軟硬件資源。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為信息采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和上位機(jī)監(jiān)控模塊三部分。信息采集模塊主要是對(duì)溫度，濕度，NH3濃度的采集；數(shù)據(jù)通信模塊包含路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，將采集到的數(shù)據(jù)通過路由器節(jié)點(diǎn)以無線多跳的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器，完成信息數(shù)據(jù)傳輸；上位機(jī)監(jiān)控模塊主要由圖形用戶界面和數(shù)據(jù)庫組成，通過界面對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 信息采集模塊

在無線通信技術(shù)中，WSN技術(shù)主要有Bluetooth，WiFi，UWB，NFC和ZigBee等。在傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中， ZigBee具有技術(shù)容量大、組網(wǎng)能力強(qiáng)、成本較低的優(yōu)點(diǎn)[3]，雖然傳輸速度不及其他無線通信技術(shù)，但本文系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量范圍在20～250 kbit/s之間，足以滿足系統(tǒng)需求，所以選擇ZigBee技術(shù)組建環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖

信息采集模塊主要包括主控制器和用于采集禽舍環(huán)境中溫度，濕度，NH3濃度的傳感器。系統(tǒng)選用TI公司生產(chǎn)的CC2530作為ZigBee節(jié)點(diǎn)的主控制器，負(fù)責(zé)WSN的建立、環(huán)境信息的采集和傳輸。CC2530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)[4]。溫度傳感器和濕度傳感器采用集成的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT10，供電電壓為直流5 V。NH3濃度傳感器采用MQ-X型氣體傳感器模塊，采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有害氣體NH3的濃度。氣體傳感器模塊原理如圖2所示[5]。

圖2 氣體傳感器模塊原理圖

2.2 數(shù)據(jù)通信模塊

在本設(shè)計(jì)中，ZigBee模塊分為處于ZigBee網(wǎng)絡(luò)底層的EndDevice模塊、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的Router模塊和網(wǎng)絡(luò)頂層的Coordinator模塊。由采集禽舍中環(huán)境信息參數(shù)的傳感器檢測節(jié)點(diǎn)、提供無線信息路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的路由器節(jié)點(diǎn)和負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)發(fā)起、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)管理的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[6]。Coordinator模塊主要負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無線送，同時(shí)作為數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE通過RS 232C與TTL電平和邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)換，再次使用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，與嵌入式網(wǎng)關(guān)（ARM11）通信。

2.3 上位機(jī)監(jiān)控模塊

為滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，保證上位機(jī)正常運(yùn)行，系統(tǒng)采用低功耗、低成本、接口豐富的以Samsung公司生產(chǎn)的ARM11微處理器S3C6410為核心的嵌入式開發(fā)平臺(tái)[7]。使用可視化編程軟件編寫，結(jié)合SQLite存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)，在用戶界面顯示傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，便于后續(xù)管理與查看分析。嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)和上位機(jī)軟件開發(fā)兩部分。無線傳感網(wǎng)絡(luò)開發(fā)用于采集環(huán)境信息，組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)采集終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的通信，主要包括End Device節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，Router節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，Coordinator節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)[8]。上位機(jī)軟件開發(fā)主要包含圖形用戶界面和數(shù)據(jù)庫開發(fā)，工作人員通過圖形用戶界面直觀地讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，便于查看和分析歷史數(shù)據(jù)。

3.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)

在本文所構(gòu)建的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，Coordinator節(jié)點(diǎn)上電后，首先初始化硬件和協(xié)議棧，然后通過檢測和掃描信道能量，從中選出能量最強(qiáng)的空閑信道建立網(wǎng)絡(luò)[9]。成功建立網(wǎng)絡(luò)后，進(jìn)入偵聽狀態(tài)，若有設(shè)備申請(qǐng)入網(wǎng)則允許其加入并為之分配16位的網(wǎng)絡(luò)地址，同時(shí)建立綁定文件。若沒有，則Coordinator串口還可利用DMA的方式接收嵌入式網(wǎng)關(guān)（ARM11）發(fā)來的命令數(shù)據(jù)，并將命令數(shù)據(jù)無線發(fā)送給End Device；若Coordinator節(jié)點(diǎn)收到End Device節(jié)點(diǎn)發(fā)來的無線數(shù)據(jù)，則直接將該數(shù)據(jù)通過RS 232串口發(fā)往嵌入式網(wǎng)關(guān)繼續(xù)處理。Coordinator節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

Router節(jié)點(diǎn)在本系統(tǒng)中僅僅負(fù)責(zé)子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)請(qǐng)求和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)/命令。End Device節(jié)點(diǎn)上電初始化后，開始尋找可加入的網(wǎng)絡(luò)信道，并向Coordinator或Router節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)：若成功入網(wǎng)，Router或Coordinator節(jié)點(diǎn)會(huì)給其分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址；若入網(wǎng)失敗，則繼續(xù)向Router或Coordinator節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，直到成功入網(wǎng)。成功入網(wǎng)后，偵聽網(wǎng)絡(luò)信息，查詢是否接收到Coordinator節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到解析該命令數(shù)據(jù)時(shí)，若是數(shù)據(jù)采集命令，則啟動(dòng)相應(yīng)的傳感器，獲取傳感器數(shù)據(jù)并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到Coordinator節(jié)點(diǎn)；若是其他控制命令，則根據(jù)命令類型執(zhí)行相應(yīng)操作[10]。End Device節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖4 Coordinator節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程圖

圖5 End Device節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)主要由一個(gè)移植了嵌入式Web服務(wù)器和嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite的ARM11平臺(tái)構(gòu)成，連接著外部Internet和內(nèi)部負(fù)責(zé)采集環(huán)境信息的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)Web瀏覽器與WSN之間的信息交互。環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)Coordinator上傳到ARM網(wǎng)關(guān)中，并選用SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和維護(hù)。

4 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

系統(tǒng)硬件實(shí)物如圖6所示。最左邊為ARM網(wǎng)關(guān)，ARM通過串口0連接到上位機(jī)，上位機(jī)通過ARM系統(tǒng)終端打印調(diào)試信息，Coordinator節(jié)點(diǎn)與ARM網(wǎng)關(guān)的串口1相連。End Device節(jié)點(diǎn)由電池供電，Router和Coordinator節(jié)點(diǎn)均由5V電源供電。三個(gè)節(jié)點(diǎn)組成了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖6 系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

為驗(yàn)證ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和顯示的正確性，從ARM網(wǎng)關(guān)的Web服務(wù)器中取出監(jiān)測區(qū)域內(nèi)A～E 5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測12 h內(nèi)有害氣體NH3濃度隨時(shí)間變化的情況，見表1所列。

由表1可知，監(jiān)測點(diǎn)A～E有害氣體NH3的平均濃度如圖7所示。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)A～E有害氣體NH3的平均濃度

由圖7可知，監(jiān)測點(diǎn)C和E的NH3濃度值明顯高于其他監(jiān)測點(diǎn)。結(jié)合監(jiān)測區(qū)域通風(fēng)條件分析，監(jiān)測點(diǎn)C和E處于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部通風(fēng)條件較差的地方，導(dǎo)致NH3濃度較高，所以通風(fēng)條件對(duì)有害氣體濃度有重要影響。

在12 h內(nèi)監(jiān)測區(qū)域各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的溫度變化范圍為16.0～23.5 ℃，濕度變化范圍為48～64%RH，溫濕度基本符合要求。

5 結(jié) 語

針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)存在安裝維護(hù)復(fù)雜、多點(diǎn)布線困難等問題，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于ARM和WSN技術(shù)的環(huán)境信息檢測系統(tǒng)，主要用于解決禽舍養(yǎng)殖不易實(shí)時(shí)監(jiān)測的問題。經(jīng)過測試驗(yàn)證，該系統(tǒng)正常工作，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地檢測禽舍環(huán)境信息，從而實(shí)現(xiàn)智能養(yǎng)殖。

[1]叢希，胡曉麗，袁洪印.國內(nèi)外畜禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2012，32（6）：106-107.

[2]林曉鵬.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2015，5（1）：81-83.

[3]沈忱.基于無線傳感網(wǎng)的養(yǎng)禽環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].淮南：安徽理工大學(xué)， 2017.

[4]王正萬.基于WSN的幾種短距離無線通信技術(shù)應(yīng)用分析[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用， 2014（2）：23-24.

[5]杜軍朝，劉惠，劉傳益，等. ZigBee技術(shù)原理與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[6]王海森.畜禽健康養(yǎng)殖中環(huán)境監(jiān)測及預(yù)警系統(tǒng)研究[J].中國動(dòng)物保健，2016，18（1）：26，28.

[7]李惠敏，連京華，孫凱，等.家禽環(huán)境自動(dòng)化控制技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國家禽，2013，35（14）：41-44.

[8]孫岐峰，杜鋒.基于ARM的禽舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測試，2013（12）：73-74.

[9]任瑾，龍小麗，張曉亞.基于ARM和ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化應(yīng)用， 2017（8）：49-51，54.

[10] 鐘翔，李剛，張桂英，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在畜禽舍環(huán)境監(jiān)控中的應(yīng)用[J].中國家禽，2012， 34（22）：41-43.