基于校園環(huán)境監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

宋相慧 鄭瑩瑩

（廣東開放大學(xué)（廣東理工職業(yè)學(xué)院） 廣東省廣州市 510091）

良好的校園環(huán)境是師生生活學(xué)習(xí)的重要保障，做好校園環(huán)境監(jiān)控也就非常必要的了。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)多采用有線系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)的靈活性、可拓展性和可維護(hù)性，增加了成本；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了極其便利的條件，其成本較低、安裝簡(jiǎn)單，而且它能對(duì)環(huán)境的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，靈活性較高的[1]。根據(jù)校園實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)校園環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，特別是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，用此系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)包括溫濕度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量、PM2.5等參數(shù)，數(shù)據(jù)通過zigbee無(wú)線通信傳至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口傳至管理中心。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)用于監(jiān)控校園環(huán)境，監(jiān)控的指標(biāo)包括光照度、溫濕度、空氣質(zhì)量、PM2.5等，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)用于采集環(huán)境參數(shù)，通過無(wú)線傳輸?shù)姆绞街鹛陌褦?shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)接收感知節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并把收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到管理節(jié)點(diǎn)，還可以發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集的感知模塊、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)模塊、無(wú)線通信模塊和節(jié)點(diǎn)供電的電源供給模塊4個(gè)部分組成，如圖2所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊選用TI公司的CC2530F256片上系統(tǒng)[2]，其具有高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核，適應(yīng)2.4GHz IEEE802.15.4的RF收發(fā)器，硬件支持CSMA/CA，具有8路輸入8位~14位ADC，具有2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的USART，21個(gè)通用I/O引腳。CC2530F256具有許多不同外設(shè)可以滿足連接不用種類傳感器的需求，可以使用串口連接PM2.5傳感器，使用IO口連接溫濕度、光照傳感器，使用ADC連接空氣質(zhì)量傳感器。

2.1 傳感器模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)中的傳感器模塊由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器組成，負(fù)責(zé)感知監(jiān)控對(duì)象的信息。根據(jù)具體應(yīng)用，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)環(huán)境所選用傳感器有：

2.1.1 溫濕度傳感器

選用DHT11溫濕度傳感器，它是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器，其精度濕度+-5%RH，溫度+-2℃，量程濕度20-90%RH，溫度0～50℃。DHT11采用單總線數(shù)據(jù)格式，DATA引腳用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，該引腳接CC2530主控模塊的P0.7引腳。

2.1.2 光照傳感器[3]

選用BH1750光照傳感器，其是一種兩線式串行總線接口的集成電路，可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，其具有1~65535 lx的高分辨率，可支持較大范圍的光強(qiáng)度變化。BH1750的SCL引腳與CC2530的P1.0引腳連接，SDA引腳與CC2530的P1.1引腳連接。

2.1.3 空氣質(zhì)量傳感器

選用MQ-135傳感器。MQ135氣體傳感器對(duì)氨氣、硫化物、苯系蒸汽的靈敏度高，對(duì)煙霧和其它有害氣體的監(jiān)測(cè)也很理想，可檢測(cè)多種有害氣體，氣體敏感元件測(cè)試濃度范圍：10 to 1000ppm。

2.1.4 PM2.5傳感器

選用PMS5003激光傳感器，其是一款基于激光散射原理的通用顆粒物濃度傳感器，可測(cè)量PM1.0、PM2.5、PM10的值，數(shù)據(jù)通過UART串口直接輸出，PMS5003激光傳感器與CC2530通過串口連接。

圖3：電源供給模塊

圖4：協(xié)調(diào)器工作流程

圖5：傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程

2.2 電源供給模塊

一般傳感器節(jié)點(diǎn)是由電池供電，電池耗盡節(jié)點(diǎn)失效，為了延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命，本系統(tǒng)使用鋰電池與太陽(yáng)能供電相結(jié)合方式給節(jié)點(diǎn)供電，實(shí)現(xiàn)能量的自給自足。如圖3所示，電源模塊主要由太陽(yáng)能光伏電池板和鋰電池組成[4][5]。選用功率為5V/6W太陽(yáng)能電池板發(fā)電，USB接口輸出；鋰電池充放電模塊通過Micro-USB接口連接太陽(yáng)能電池板，經(jīng)過充電保護(hù)電路的升壓保證了鋰電池的充電電壓，放電時(shí)，經(jīng)過放電保護(hù)電路的穩(wěn)壓恒流產(chǎn)生5V/500mA的輸出。太陽(yáng)能供電模塊支持邊充電邊放電，在白天有日照時(shí)節(jié)點(diǎn)通過太陽(yáng)能進(jìn)行供電，并使節(jié)點(diǎn)中鋰電池保持充電狀態(tài)；在晚上或陰雨天，節(jié)點(diǎn)通過鋰電池給各個(gè)模塊供電，維持節(jié)點(diǎn)的正常工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括傳感器節(jié)點(diǎn)軟件、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件、管理中心軟件。傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)都采用CC2530結(jié)合Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，開發(fā)環(huán)境選用IAR集成開發(fā)環(huán)境。管理中心軟件使用C#和SQL2008開發(fā)。

Z-Stack是ZigBee協(xié)議棧，為開發(fā)者提供了大量的程序代碼和API函數(shù)接口，裝載在一個(gè)基于IAR開發(fā)環(huán)境的工程里；開發(fā)者在現(xiàn)有工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，添加自己的應(yīng)用程序，調(diào)用API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用需求。整個(gè)Z-stack的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)初始化，OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段。

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)設(shè)備，協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和網(wǎng)絡(luò)ID創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，并廣播這個(gè)信道和網(wǎng)絡(luò)號(hào)，傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后掃描到周邊的網(wǎng)絡(luò)，向協(xié)調(diào)器發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器收到請(qǐng)求后允許節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)成功后向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收采集數(shù)據(jù)，上傳到管理節(jié)點(diǎn)[2][6]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程如圖4所示，傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基于Zigbee系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)是由太陽(yáng)能電池板和鋰電池共同供電，節(jié)點(diǎn)不會(huì)由于電池沒電而失效，為系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行提供保障，節(jié)點(diǎn)連接的傳感器可以測(cè)量溫濕度、空氣質(zhì)量等環(huán)境參數(shù)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來高效、低成本，在校園環(huán)境監(jiān)測(cè)方面可擴(kuò)展性強(qiáng)。