淺談ZigBee系統(tǒng)在環(huán)境檢測(cè)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

魏忠鑫

【摘要】 環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器以及終端應(yīng)用組成。傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)基于ZigBee協(xié)議，由分布于各個(gè)待檢測(cè)區(qū)域的環(huán)境檢測(cè)節(jié)點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)分為父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，上電后父節(jié)點(diǎn)建立的網(wǎng)絡(luò)，子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)測(cè)試，子節(jié)點(diǎn)可向父節(jié)點(diǎn)周期性地上傳環(huán)境數(shù)據(jù)。用戶通過(guò)手機(jī)或平板電腦接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)掌握被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境信息，本文通過(guò)ZigBee環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際工作的應(yīng)用進(jìn)行探討，提出解決方式。

【關(guān)鍵詞】 環(huán)境檢測(cè) 傳感器網(wǎng)絡(luò) ZigBee

一、引言

隨著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)工業(yè)化程度逐漸提高，使得環(huán)境檢測(cè)與控制的應(yīng)用需求越來(lái)越大。比如，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)制造、環(huán)境保護(hù)、室內(nèi)居住等等?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，也不斷地改變著環(huán)境檢測(cè)的技術(shù)，使環(huán)境檢測(cè)變得數(shù)字化、系統(tǒng)化、智能化。目前的環(huán)境檢測(cè)技術(shù)，運(yùn)用高精度，低誤差的傳感器網(wǎng)絡(luò)，將環(huán)境參數(shù)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再送入主控器分析和處理，然后智能化控制進(jìn)行進(jìn)一步的操作，比如報(bào)警、降溫、開(kāi)窗、語(yǔ)音播報(bào)等操作。

本文提出一種基于MSP430F5418和CC1120的嵌入式遠(yuǎn)程環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的方案，實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)下的溫度、濕度、光強(qiáng)度信息，并可進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。該設(shè)計(jì)可應(yīng)用于大棚種植的環(huán)境監(jiān)控、室內(nèi)居住環(huán)境的檢測(cè)、森林火災(zāi)預(yù)警、城市環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)控等。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和終端應(yīng)用組成。傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)基于ZigBee協(xié)議，由分布于各個(gè)待檢測(cè)區(qū)域的環(huán)境檢測(cè)節(jié)點(diǎn)組成。每個(gè)檢測(cè)儀節(jié)點(diǎn)由信息采集模塊、MSP430F5418控制模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、人機(jī)交互模塊，CC1120無(wú)線模塊組成。網(wǎng)關(guān)完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的對(duì)接。而服務(wù)器則負(fù)責(zé)接收來(lái)自于傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析，存儲(chǔ)，處理指令等操作，終端應(yīng)用設(shè)計(jì)為手機(jī)安卓程序，可以查詢權(quán)限范圍內(nèi)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息和遠(yuǎn)程發(fā)送升溫，除濕等指令。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖如圖2所示，主控芯片MSP430F5418分別與信息采集模塊、按鍵液晶模塊、語(yǔ)音模塊、CC1120模塊連接。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有人機(jī)交互和語(yǔ)音播報(bào)功能。MSP430F5418上電后在不工作時(shí)處于低功耗模式，僅通過(guò)中斷喚醒芯片處理事務(wù)，以達(dá)到節(jié)能目的。傳感器節(jié)點(diǎn)由父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)組成，父節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)，子節(jié)點(diǎn)通過(guò)掃描網(wǎng)絡(luò)加入父節(jié)點(diǎn)建立的網(wǎng)絡(luò)。子節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)內(nèi)時(shí)將周期性地向父節(jié)點(diǎn)上傳溫度，光強(qiáng)度以及濕度數(shù)據(jù)。子節(jié)點(diǎn)與父節(jié)點(diǎn)都具有掉網(wǎng)重連功能。

2.1.1 信息采集模塊

信息采集模塊如圖3所示，由溫度采集電路，濕度采集電路和光強(qiáng)度采集電路組成，完成環(huán)境參數(shù)采集的功能。在溫度采集電路中，選用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器測(cè)量溫度，該傳感器精度高，反應(yīng)靈敏，且與MSP430F5418連接簡(jiǎn)單。MSP430F5418通過(guò)時(shí)序讀寫(xiě)控制，讀出DS18B20當(dāng)前采集的溫度。濕度與光強(qiáng)度采集均選用電阻式傳感器，傳感器將濕度與光照信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換及運(yùn)算后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。在濕度采集電路中，電阻式濕度傳感器型號(hào)為CHR_01。

2.1.2 信息顯示與語(yǔ)音播報(bào)

信息顯示與語(yǔ)音播報(bào)模塊由按鍵液晶模塊與ISD4004語(yǔ)音模塊構(gòu)成。液晶屏顯示環(huán)境信息和按鍵的操作提示，操作者通過(guò)按鍵控制語(yǔ)音播報(bào)等功能。語(yǔ)音芯片通過(guò)SPI接口與主控單片機(jī)MSP430F5418通信，由于芯片的通信協(xié)議SS管腳并未完全符合標(biāo)準(zhǔn)四線SPI協(xié)議，因此，程序設(shè)計(jì)時(shí)采用三線SPI模式同時(shí)模擬控制SS管腳的電平變化。該語(yǔ)音芯片可錄放8至16分鐘語(yǔ)音，3V 單電源工作，采用CMOS 技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。

2.2 通信設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通信包括傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信、ZigBee網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器的通信、服務(wù)器和終端應(yīng)用間的通信。網(wǎng)關(guān)完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)間的轉(zhuǎn)換，使父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。服務(wù)器和終端應(yīng)用通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。傳感器節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信模塊選用TI公司生產(chǎn)的CC1120 ，其與MSP430F5418的通信方式和語(yǔ)音芯片ISD4004相同，均用三線SPI并模擬CSn管進(jìn)行通信。經(jīng)過(guò)該通信過(guò)程 服務(wù)器由一臺(tái)遠(yuǎn)程電腦擔(dān)任，不僅需要負(fù)責(zé)記錄從傳感器網(wǎng)絡(luò)傳回的數(shù)據(jù)，還需要回應(yīng)應(yīng)用端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求。終端應(yīng)用設(shè)計(jì)為Android程序，用戶通過(guò)手機(jī)或平板電腦接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)掌握被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境信息。

三、軟件設(shè)計(jì)

環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)軟件介紹傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)主程序流程圖如圖5所示，MSP430F5418上電后初始化射頻、語(yǔ)音芯片和顯示屏等模塊。接著開(kāi)啟傳感器獲取環(huán)境信息的中斷，再運(yùn)行ZigBee網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)程序，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換將環(huán)境信息上傳至服務(wù)器上。

3.1 數(shù)據(jù)采集處理

傳感器采集的溫度，濕度和光強(qiáng)度信息存在一定的波動(dòng)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理使環(huán)境信息變得更穩(wěn)定，提高其可讀性。傳感器溫度處理程序流程圖，在定時(shí)器中斷中，通過(guò)DS18B20讀取一次溫度數(shù)據(jù)，選取最近讀取的20次溫度數(shù)據(jù)，首先溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪濾波，再對(duì)剩余的溫度數(shù)據(jù)求平均值。所得的均值即視為當(dāng)前溫度值。

濕度信息在濕度AD中斷函數(shù)中處理。濕敏電阻將環(huán)境的濕度信息轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由MSP430F5418通過(guò)AD采樣讀取該值。每一次AD采樣后，先判斷與前一次處理后的濕度數(shù)據(jù)的差異，若差異高于一個(gè)門(mén)限值，則判定為出錯(cuò)數(shù)據(jù)，舍棄。若判定為正確濕度信息，則對(duì)最近5次判斷的濕度信息求平均，該平均值被認(rèn)定為當(dāng)前環(huán)境的濕度值。

光強(qiáng)度的采集和濕度采集相似，通過(guò)光敏電阻將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再由MSP430F5418經(jīng)AD采樣并處理后得出光強(qiáng)信息。不同的是，光強(qiáng)信息的變化率比溫度和濕度大，采樣所得的信息不超過(guò)最大光強(qiáng)閾值都被判定為當(dāng)前光強(qiáng)度值，提高了反應(yīng)靈敏度，但減小了穩(wěn)定度。

3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將節(jié)點(diǎn)分為父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)。如果傳感器節(jié)點(diǎn)接收到父節(jié)點(diǎn)發(fā)送的連接成功信息，則會(huì)發(fā)送一個(gè)成功傳輸響應(yīng)信息以確認(rèn)接收，然后傳感器節(jié)點(diǎn)MAC層將通過(guò)MLME_ASSOCIATE.confirm原語(yǔ)通知網(wǎng)絡(luò)層，父節(jié)點(diǎn)接收到傳感器節(jié)點(diǎn)的成功傳輸響應(yīng)信息后，將通過(guò)MLME_COMM_STATUS.indication原語(yǔ)將傳輸成功的響應(yīng)狀態(tài)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層。

通過(guò)已經(jīng)組建好的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，父節(jié)點(diǎn)便能很方便地與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，通過(guò)指令可控制子節(jié)點(diǎn)向父節(jié)點(diǎn)周期性地上傳數(shù)據(jù)，通過(guò)父節(jié)點(diǎn)可控制傳感器節(jié)點(diǎn)，如停止采集數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)等。

3.3 人機(jī)交互設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)人機(jī)交互設(shè)計(jì)由終端手機(jī)Android程序和傳感器節(jié)點(diǎn)處的人機(jī)交互模塊組成。Android程序?qū)崿F(xiàn)終端信息的顯示和命令的交互，傳感器節(jié)點(diǎn)處的人機(jī)交互通過(guò)簡(jiǎn)單的矩陣按鍵、LCD和語(yǔ)音模塊組成。LCD屏顯示按鍵的操作提示，通過(guò)按鍵可以控制語(yǔ)音播報(bào)的內(nèi)容。語(yǔ)音播報(bào)是將所需要的語(yǔ)音數(shù)據(jù)先導(dǎo)入語(yǔ)音芯片，并記錄每一語(yǔ)音數(shù)據(jù)的地址。當(dāng)需要播報(bào)該語(yǔ)音數(shù)據(jù)的時(shí)候，通過(guò)查表法導(dǎo)出語(yǔ)音數(shù)據(jù)，通過(guò)功放電路播放語(yǔ)音。

四、總結(jié)與展望

在誤差在允許的范圍內(nèi)，我們已完成環(huán)境信息的采集與顯示，并可進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)?，F(xiàn)階段已加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，且通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)可將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境信息周期性地上傳至服務(wù)器。我們正致力于開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程應(yīng)用端Android程序，在實(shí)時(shí)顯示傳感器目前的環(huán)境信息的基礎(chǔ)上增加更多的功能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] ZigBee Alliance. ZigBee specification 2008[DB/OL]. [2012-8-10].

[2] 沈建華，楊艷琴，瞿驍. MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用 [M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004

[3] 趙廣林. 新型語(yǔ)音芯片應(yīng)用手冊(cè)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008

[4] 樊尚春. 傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M]. 第2版. 北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2010

[5] 韓九強(qiáng)，周杏鵬. 傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2010