基于CC2530與CC3200的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

蔡俊豪 曹廣忠 彭業(yè)萍 周受欽

摘 ?要： 為了更靈活地實現(xiàn)室內空氣溫度、空氣濕度、煙霧濃度值、室內人數(shù)等環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)控與存儲管理，設計一種基于CC2530與CC3200的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。以CC2530為核心處理單元，通過終端節(jié)點對室內環(huán)境參數(shù)進行實時采集，利用ZigBee協(xié)調端建立星型網絡進行數(shù)據(jù)無線傳送，并采用RS 232串口通信方式將ZigBee協(xié)調器分別與上位機和CC3200進行通信。最終上位機對接收到的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控與存儲，CC3200對接收到的數(shù)據(jù)通過WiFi的形式上傳到Web服務器，從而為用戶對室內環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與存儲提供更好的途徑。

關鍵詞： 室內環(huán)境監(jiān)測; 數(shù)據(jù)存儲管理; 數(shù)據(jù)采集; 星型網絡; 數(shù)據(jù)上傳; 系統(tǒng)設計

中圖分類號： TN931+.3?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）10?0071?04

Design of indoor environment monitoring system based on CC2530 and CC3200

CAI Junhao1，2， CAO Guangzhong1， PENG Yeping1， ZHOU Shouqin2

（1. Shenzhen Key Laboratory of Electromagnetic Control， Shenzhen University， Shenzhen 518060， China;

2. CIMC Intelligent Technology Company Limited， Shenzhen 518067， China）

Abstract： An indoor environment monitoring system based on CC2530 and CC3200 is designed to realize real?time monitoring and storage management of indoor air temperature， air humidity， smoke concentration， indoor population and other environment parameters. The indoor environment parameters are collected in real time by means of the terminal nodes and the core processing unit CC2530. The ZigBee coordinating end is used to build a star network for wireless transmission of data. The ZigBee coordinator is connected to the upper computer and CC3200 respectively for communication by using the RS?232 serial port communication mode. The upper computer is used to conduct real?time monitoring and storage of the received data， and the CC3200 is used to upload the received data to the Web server by means of the WiFi， so as to provide a better way for users to monitor and store the indoor environment parameters.

Keywords： indoor environment monitoring; data storage management; data acquisition; star network; data upload; system design

0 ?引 ?言

隨著人們物質生活水平的提高，人們對室內環(huán)境重視程度越來越高，但是環(huán)境污染日趨嚴峻，使得室內環(huán)境的實時監(jiān)測變得更加重要。傳統(tǒng)的室內環(huán)境參數(shù)監(jiān)測主要分為人工離線操作和在線監(jiān)測兩種途徑，人工離線操作需操作人員現(xiàn)場對室內的環(huán)境參數(shù)進行采集，不能實時對環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測;在線監(jiān)測通常采用有線方式，該方式需布線，維護成本較高，不利于普及[1]。針對上述情況，無線通信技術在室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應用被廣泛提出。文獻[2] 利用ZigBee技術和GPRS通信技術實現(xiàn)對室內環(huán)境參數(shù)的遠程傳輸與監(jiān)測，文獻[3]基于Gainspan平臺利用WiFi技術實現(xiàn)對室內環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，文獻[4]利用NRF24L01射頻組網方式實現(xiàn)對糧倉環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。

通過以上無線通信技術在室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的探索，借鑒前人的研究經驗，本文設計了基于CC2530與CC3200的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對室內環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)控，并且能將數(shù)據(jù)上傳至Web服務器進行存儲，方便用戶對數(shù)據(jù)監(jiān)控與管理。

1 ?系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)主控芯片采用德州儀器公司生產的CC253x系列的控制器——CC2530F256。該芯片使用8051內核，建立在適應2.4 GHz IEEE 802.15.4標準協(xié)議上，CC2530F256內置RF收發(fā)器，8 KB靜態(tài)隨機存儲器。256 KB的閃存塊和18個中斷源的中斷控制器，具有21個通用I/O引腳，5通道DMA，32 kHz的睡眠計時器等豐富的外設接口[5]。系統(tǒng)通過CC3200內置的WiFi模塊功能，將數(shù)據(jù)上傳至Web服務器，CC3200是德州儀器公司生產的集成 ARM Cortex?M4內核，運行頻率為80 MHz，具有WiFi網絡處理器子系統(tǒng)，具有IEEE 802.11 b/g/n射頻和TCP/IP堆棧，具備低功耗休眠模式?；贑C2530與CC3200的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)總體結構示意圖

該系統(tǒng)由終端節(jié)點（傳感器節(jié)點）、協(xié)調器、上位機、CC3200和服務器5部分組成。終端節(jié)點通過DHT11溫濕度傳感器、E18?D80NK紅外對管傳感器、MQ?2煙霧傳感器對室內的溫度、濕度、人數(shù)、煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)進行采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee協(xié)調器。ZigBee協(xié)調器負責建立星型網絡傳輸方式，接收來自傳感器節(jié)點的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)以自定義好的協(xié)議通過串口將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給上位機和CC3200。上位機負責對室內環(huán)境參數(shù)進行實時的顯示與存儲，CC3200負責將數(shù)據(jù)以WiFi形式發(fā)送給Web服務器，上傳至云端[6]。

2 ?傳感器硬件設計

系統(tǒng)傳感器硬件設計主要分為3個部分：MQ?2煙霧傳感器、DHT11溫濕度傳感器和E18?D80NK紅外光電傳感器。

2.1 ?MQ?2煙霧傳感器

MQ?2煙霧傳感器所采用的氣敏材料為在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2），當該傳感器所處環(huán)境存在煙霧（甲烷、乙烷等可燃氣體）時，傳感器的電導率隨著空氣中煙霧濃度的增加而增大。MQ?2煙霧傳感器對甲烷、乙烷、煙霧等可燃氣體具有較好的靈敏度，具有較長的使用壽命和較好的穩(wěn)定性，其模擬量輸出為0～5 V電壓，空氣煙霧濃度值越高其電壓越高。

2.2 ?DHT11溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器將數(shù)字模塊采集技術以及溫濕度傳感技術相結合，確保其采集數(shù)據(jù)的準確性。DHT11采用串行接口單總線數(shù)據(jù)傳送方式，每次傳送40 bit數(shù)據(jù)，即8 bit濕度整數(shù)部分+8 bit濕度小數(shù)部分+8 bit溫度整數(shù)部分+8 bit溫度小數(shù)部分+8 bit校驗和。本設計中DHT11溫濕度傳感器用于對室內溫度和濕度的采集。

2.3 ?E18?D80NK紅外光電傳感器

E18?D80NK紅外光電傳感器是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經過調制后發(fā)出，接收頭對反射光進行解調輸出，能有效地避免可見光的干擾。該傳感器屬于NPN型光電開關，輸出高低電平兩種狀態(tài)，檢測到目標時低電平輸出，正常狀況為高電平輸出。其工作電壓為5 V，工作電流為10～15 mA，感應距離為3～80 cm。本設計中E18?D80NK紅外光電傳感器用于對室內人數(shù)的采集。

3 ?系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要分為4個部分：終端節(jié)點軟件設計、協(xié)調器軟件設計、CC3200軟件設計和上位機軟件設計。

3.1 ?終端節(jié)點軟件設計

圖2為終端節(jié)點程序流程圖，終端節(jié)點是帶有傳感器的網絡節(jié)點。其軟件設計思路為終端節(jié)點首先對時鐘、定時器、RF射頻、傳感器等模塊進行初始化，接著掃描查找周圍是否存在由協(xié)調器建立的網絡，若存在則申請加入并獲取得到由協(xié)調器分配的16位短地址;接著進入低功耗休眠模式，當1 s到達時讀取傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器后再次進入低功耗休眠模式，并等待下次定時器中斷的到來。

3.2 ?協(xié)調器軟件設計

圖3為協(xié)調器程序流程圖，協(xié)調器是室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網絡的組建節(jié)點。其軟件設計思路為協(xié)調器首先對時鐘、定時器、RF射頻、UART串口等模塊進行初始化;接著初始ZigBee協(xié)議棧，對信道進行掃描，選擇合適信道后設定網絡標識符、64位擴展地址和16位短地址等網絡參數(shù)。至此ZigBee星型網絡建立成功，等待節(jié)點入網，當有終端節(jié)點入網后，協(xié)調器接收終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)幀通過RS 232串口方式分別發(fā)送給上位機和CC3200。

圖3 ?協(xié)調器程序流程圖

協(xié)調器（下位機）與上位機的通信協(xié)議為7個8位的數(shù)據(jù)幀格式，如表1所示。其數(shù)據(jù)幀內容為1 B的幀頭，4 B的數(shù)據(jù)，1 B檢驗和以及1 B的幀尾。

3.3 ?CC3200軟件設計

CC3200是該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳到云端的中轉站節(jié)點，其軟件設計思路首先對時鐘、定時器、UART串口、網絡連接、HTTP Client等模塊初始化，接著判別CC3200通過WLAN形式是否連接上服務器[7]，若連接成功則以5 s為一個周期將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務器。CC3200程序流程圖如圖4所示。

圖4 ?CC3200程序流程圖

3.4 ?上位機軟件設計

圖5為室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，圖6為后臺數(shù)據(jù)管理模塊界面。上位機是室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時顯示與存儲的終端，該系統(tǒng)上位機是在Microsoft Visual Studio 2015環(huán)境下進行開發(fā)，由數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊和后臺數(shù)據(jù)管理模塊兩部分組成[8]。數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊對室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)溫度、濕度、人數(shù)、煙霧濃度值等環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)控，通過上位機所編寫虛擬示波器對環(huán)境參數(shù)進行動態(tài)監(jiān)控。后臺數(shù)據(jù)管理模塊將環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)存儲到Access數(shù)據(jù)庫中，對歷史數(shù)據(jù)和上位機的登錄用戶進行管理。

圖5 ?上位機數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

圖6 ?上位機后臺數(shù)據(jù)管理界面

4 ?系統(tǒng)測試

4.1 ?終端節(jié)點與協(xié)調器通信距離測試

測試要求：分別在空曠和有障礙物的環(huán)境下測試終端節(jié)點與協(xié)調器的有效通信距離。

測試結果：測試結果如表2所示，其中0代表通信失敗，1代表通信成功。在空曠環(huán)境下有效通信距離為75 m，在有障礙物的環(huán)境下通信距離為50 m。

4.2 ?協(xié)調器與上位機通信測試

測試要求：測試協(xié)調器（下位機）能否將空氣溫度、空氣濕度、室內人數(shù)和煙霧濃度值有效準確地發(fā)送給上位機。測試結果：測試結果如圖7所示，通過在VS環(huán)境下編寫的上位機界面顯示室內環(huán)境參數(shù)，結果表明協(xié)調器能夠準確有效將數(shù)據(jù)上傳至上位機。

圖7 ?室內環(huán)境參數(shù)顯示

4.3 ?CC3200與服務器通信測試

測試要求：測試CC3200能否將空氣溫度、空氣濕度、室內人數(shù)和煙霧濃度值有效準確地發(fā)送給服務器。

測試結果：測試結果如圖8所示，通過在Web網頁上編寫界面，顯示服務器所接收到的室內環(huán)境參數(shù)，結果表明CC3200能夠準確有效地將數(shù)據(jù)上傳至服務器。

圖8 ? Web網頁界面室內環(huán)境參數(shù)顯示

5 ?結 ?語

本文設計一種基于CC2530與CC3200的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用ZigBee無線傳感器網絡技術實現(xiàn)對室內空氣溫度、空氣濕度、人數(shù)、煙霧濃度等數(shù)據(jù)采集，并通過協(xié)調器所建立的星型網絡將環(huán)境參數(shù)匯集給協(xié)調器，利用RS 232串口通信技術實現(xiàn)協(xié)調端（下位機）分別與上位機和CC3200數(shù)據(jù)傳輸，利用WiFi技術實現(xiàn)將CC3200接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給Web服務器。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對室內環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與管理。下一步工作是對室內環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進行處理與分析，實現(xiàn)對室內環(huán)境的改善，做出相應的決策與控制。

參考文獻

[1] 劉秀.基于無線傳感器網絡的室內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[D].重慶：重慶大學，2015.

LIU Xiu. The design of the indoor environment monitoring system based on wireless sensor network [D]. Chongqing： Chongqing University， 2015.

[2] 王驥，林杰華，謝仕義.基于無線傳感網絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感技術學報，2015，28（11）：1732?1740.

WANG Ji， LIN Jiehua， XIE Shiyi. The environment monitoring system based on wireless sensor network [J]. Chinese journal of sensors and actuators， 2015， 28（11）： 1732?1740.

[3] 王麗偉，鄔迎.基于WiFi技術的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與研究[J].電腦知識與技術，2016，12（13）：49?50.

WANG Liwei， WU Ying. Design and research of home environment monitoring system based on WiFi technology [J]. Computer knowledge and technology， 2016， 12（13）： 49?50.

[4] 朱嶸濤，羅明璋.基于nRF24L01和IAP15W4K58S4的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計[J].現(xiàn)代電子技術，2017，40（18）：66?69.

ZHU Rongtao， LUO Mingzhang. Design of barn environment monitoring system based on nRF24L01 and IAP15W4K58S4 [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（18）： 66?69.

[5] Texas Instruments. CC2530 [EB/OL]. [2011?02?01]. http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[6] BASSOLI M， BIANCHI V， MUNARI I D， et al. An IoT approach for an AAL Wi?Fi?based monitoring system [J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement， 2017， 66（12）： 3200?3209.

[7] MOHANRAJ I， ASHOKUMAR K， NAREN J. Field monitoring and automation using IoT in agriculture domain [J]. Procedia computer science， 2016， 93： 931?939.

（上接第74頁）

[8] 賈偉.物聯(lián)網的數(shù)據(jù)采集與信息傳輸技術研究[J].現(xiàn)代電子技術，2016，39（5）：33?37.

JIA Wei. Research on data acquisition and information transmission technology of Internet of Things [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（5）： 33?37.

[9] 張海蓉，冀慎統(tǒng)，郭紅安.基于單片機的電路信息實時采集系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2017，40（22）：85?87.

ZHANG Hairong， JI Shentong， GUO Hongan. Design of circuit information real?time acquisition system based on MCU [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（22）： 85?87.

[10] 曹源，徐曉輝，王停，等.面向多傳感器接入的無線傳感器節(jié)點的研究[J].電子設計工程，2016，24（15）：135?137.

CAO Yuan， XU Xiaohui， WANG Ting， et al. Research of multi?sensor access wireless sensor nodes [J]. Electronic design engineering， 2016， 24（15）： 135?137.