基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

馬愛霞 徐音

摘? ?要：以CC2530模塊為核心構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將采集的粉塵、溫濕度、光照等環(huán)境數(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。文章根據(jù)系統(tǒng)的方案，設(shè)計其硬件電路功能，并設(shè)計了終端傳感器節(jié)點、中間協(xié)調(diào)器節(jié)點以及監(jiān)控中心的軟件流程。

關(guān)鍵詞：溫濕度;光照;ZigBee;無線傳感網(wǎng)絡(luò)

隨著人們生活水平的日益提高及科技技術(shù)的進步，環(huán)境問題越來越受到重視，人們?nèi)粘ｊP(guān)注空氣質(zhì)量如同每天關(guān)注天氣預(yù)報一樣頻繁。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)主要是通采用人工的方式，使用測量溫濕度等指數(shù)的儀器檢測環(huán)境質(zhì)量參數(shù)，人力、財力得到大量的消耗，并且在一些環(huán)境比較惡劣的區(qū)域，使用人工方式很難實時監(jiān)測，以上弊端都是傳統(tǒng)監(jiān)測方法存在的。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳輸技術(shù)的發(fā)展，這些技術(shù)慢慢被投入到環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中來。環(huán)境檢測技術(shù)主要運用的3種技術(shù)：傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)。傳感器完成檢測信息的采集，通信技術(shù)完成信息傳輸，計算機技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多微小傳感器節(jié)點構(gòu)成的，微小傳感器負責系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，各節(jié)點之間進行通信。微小傳感器以多跳無線通信方式構(gòu)成自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。因其具有可靠、靈活、準確等優(yōu)點，同時，部件造價低廉、部署和維護簡單，近年來普及應(yīng)用得非?？臁，F(xiàn)在在智能家居、環(huán)境監(jiān)測、智能交通等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

1? ? 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計

本文是基于ZigBee無線傳感器技術(shù)的環(huán)境數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)[1]。該系統(tǒng)由監(jiān)測點、中心控制節(jié)點、通用分組無線服務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）網(wǎng)絡(luò)和上位機監(jiān)控中心組成。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由終端節(jié)點、中心控制節(jié)點、上位機等組成。終端節(jié)點由數(shù)據(jù)采集及終端控制設(shè)備構(gòu)成，主要負責采集環(huán)境中的溫濕度和光照等環(huán)境數(shù)據(jù)。判斷采集到的數(shù)據(jù)信息是否超出設(shè)定值，驅(qū)動繼電器控制環(huán)境現(xiàn)場內(nèi)電燈、空調(diào)等設(shè)備。中心控制節(jié)點主要負責組建和維護ZigBee網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送、接收數(shù)據(jù)和指令，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與上位機進行通信。上位機負責實時地顯示環(huán)境數(shù)據(jù)，當采集值超出當前設(shè)置的界限值時，發(fā)出預(yù)警信息，并且發(fā)出控制機電設(shè)備的指令[2-4]。

2? ? 系統(tǒng)硬件

整個系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)是采集模塊部分，主要實現(xiàn)采集環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。通過傳感器節(jié)點采集溫度、灰塵和濕度數(shù)據(jù)，之后傳送給單片機來實現(xiàn)控制和處理。具體實現(xiàn)過程是將部署在環(huán)境監(jiān)測區(qū)中的各ZigBee采集節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee節(jié)點與中間協(xié)調(diào)器的通信是通過建立的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行的，注意ZigBee節(jié)點之間是無法相互通信的，只與協(xié)調(diào)器進行單向的數(shù)據(jù)傳輸[5]。

選用SHT11傳感器采集空氣溫、濕度，檢測被監(jiān)測環(huán)境區(qū)域內(nèi)部的溫、濕度等環(huán)境參數(shù)。SHT11的主要性能指標有： 溫度測量范圍：-40～123.8 ℃;相對濕度測量范圍：0～100%;濕度測量精度：±3%;溫度測量精度：（±0.4）℃（在25 ℃時）;電源電壓范圍：2.4～5.5 V;電流消耗：電路工作時測量為550 μA，平均工作電流28 μA，器件休眠時測量值為3 μA。

灰塵傳感器選用DSM501灰塵傳感器，主要特點及性能指標：內(nèi)置加熱器可實現(xiàn)自動吸入空氣;工作電壓范圍（DC）（5.0±0.5）V;輸出方式脈沖寬度調(diào)制、脈寬調(diào)制;低電平（有粒子時）輸出電壓：0.7 V（max1.0 V）;高電平（潔凈空氣時）測得輸出電壓：4.5 V（min4.0 V）;檢出最小粒子大小是1 μm;靈敏度為15 000個/283 mL;工作電流（最大值）90 mA;儲存濕度環(huán)境0～99% RH;濕度工作環(huán)境0～95% RH;儲存溫度環(huán)境-20～80 ℃;工作溫度環(huán)境-10 ～60 ℃;穩(wěn)定時間加熱器電源接通后約1 min。

選用TBQ-6傳感器采集光線亮度，主要用來檢測區(qū)域環(huán)境的光照強度，其主要性能指標有：光照度測量范圍：0～20萬 lx;光譜范圍：400～700 nm的可見光;電源電壓：24 V（12～30 V）;輸出信號有兩種：4～20 mA標準電流、0～5 V標準電壓;測量誤差均在（±7%）以內(nèi);以上信號測量時工作環(huán)境溫、濕度為0～40 ℃，0～70%;大氣壓力80～110 kPa[6]。

3? ? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計由監(jiān)測傳感器節(jié)點的設(shè)計、控制中心多傳感器數(shù)據(jù)融合，設(shè)計網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)融合算法設(shè)計、管理中心軟件設(shè)計等幾部分組成[7]，各部分設(shè)計如下。

傳感器節(jié)點作為系統(tǒng)的采集終端，主要完成的任務(wù)有：采集現(xiàn)場信息、傳輸本機數(shù)據(jù)、等待主機命令。其軟件設(shè)計流程的實現(xiàn)如圖2所示。

圖2? 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計流程

控制中心多個傳感器數(shù)據(jù)相互融合，設(shè)計網(wǎng)關(guān)的運算流程如下。

Step 1：對接收到的多個傳感器節(jié)點的信息進行處理，單個傳感器節(jié)點不同時間點的參數(shù)估計值運用alman遞歸濾波算法，傳感器初始的數(shù)據(jù)建立誤差方陣，通過遞歸公式推算出t時刻的誤差方陣，算出mintrace的Pk時刻k。

Step 2：從初始值采用遞歸算法，計算t時刻的數(shù)值yt，再結(jié)合上面Step 1計算出的結(jié)果，確定k時刻最小值pk，并計算其最佳比例權(quán)重。

Step 3 ：估計精度差或發(fā)散的數(shù)據(jù)，采用最優(yōu)比例權(quán)重法加權(quán)，根據(jù)其加權(quán)平均值，再計算加權(quán)后的狀態(tài)估計值。

Step 4：各個傳感器節(jié)點的方差結(jié)合融合權(quán)重，融合Step 3中經(jīng)過加權(quán)計算出的各傳感器的狀態(tài)估計值，并計算出其融合值。

Step 5：網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的融合決策，依據(jù)設(shè)定的預(yù)警閾值，判斷融合后的數(shù)據(jù)與閾值之間的關(guān)系，給出預(yù)警等級。

本設(shè)計中，管理中心要實現(xiàn)的功能如下：（1）顯示各傳感器的數(shù)據(jù)。（2）各傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)采用GPRS方式上傳到服務(wù)器。（3）將傳感器采集數(shù)據(jù)保存到SD卡。（4）ZigBee網(wǎng)絡(luò)的配置。（5）接收全球移動通信系統(tǒng)發(fā)來的短信命令包，并將命令包發(fā)送到控制中心中去。（6）完成計算機數(shù)據(jù)接收相關(guān)操作。

4? ? 結(jié)語

本文首先分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的課題意義，然后結(jié)合實際應(yīng)用開發(fā)了一套環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)，完成了該系統(tǒng)的總體硬件和軟件設(shè)計。首先分析和設(shè)計系統(tǒng)的硬件，分別對監(jiān)測點模塊、中心協(xié)調(diào)器模塊、監(jiān)控中心的硬件結(jié)構(gòu)做了相關(guān)分析，包括片溫濕度傳感器、粉塵傳感器、光線傳感器等元件的介紹。然后對軟件開發(fā)流程進行了分析，根據(jù)系統(tǒng)的功能方案設(shè)計，完成了終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、監(jiān)控中心的軟件設(shè)計。

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based on ZigBee wireless sensor network

Ma Aixia， Xu Yin

（College of? Technical， Zhengzhou Technology and Business University， Zhengzhou 450014， China）

Abstract：The wireless sensor network is built with CC2530 module as the core. The collected environmental data such as dust， temperature， humidity and illumination are transmitted to the remote monitoring center. The environmental data is read and stored by the host computer software to realize remote monitoring of environmental parameters. According to the functional design of the system， the software design of the terminal node and the coordinator node monitoring center is completed.

Key words：temperature and humidity; illumination; ZigBee; wireless sensor network