基于無線傳感器網(wǎng)絡 及Zigbee技術課程實驗裝置的研究

陶苗苗

【摘要】? ? 針對高校無線傳感器網(wǎng)絡及Zigbee技術的課程，設計了教學案例基于Zigbee技術的氣體監(jiān)測系統(tǒng)，可方便、精確地監(jiān)測環(huán)境中的氣體濃度，該系統(tǒng)充分利用Zigbee技術短距離、低功耗、低成本的特點。系統(tǒng)以CC2530為控制核心，采集氣體濃度信息、發(fā)送并實時顯示。通過測試，節(jié)點模塊能準確地檢測氣體濃度，且節(jié)點間可順利實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

【關鍵詞】? ? Zigbee? ? 無線網(wǎng)絡? ? 氣體濃度監(jiān)測? ? CC2530

引言

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks， WSN）本身便是分布式傳感網(wǎng)絡的一種，其末梢能夠很好的對外界傳感器進行感知和檢查。無線傳感器網(wǎng)絡本身便是通過無線通信技術把傳感器節(jié)點以自由式進行組織與結(jié)合進而形成的網(wǎng)絡形式，其組建方式自由、靈活。

針對高校開設的無線傳感器網(wǎng)絡課程及ZigBee技術相關課程實踐的需要，設計了一套基于ZigBee技術的氣體監(jiān)測系統(tǒng)，能實時監(jiān)測環(huán)境中的有害氣體濃度，預防安全事故。該系統(tǒng)結(jié)合單片機、氣體傳感器、無線傳輸?shù)燃夹g，利用傳感器檢測氣體濃度，單片機分析處理數(shù)據(jù)，并結(jié)合Zigbee無線傳輸網(wǎng)絡將檢測結(jié)果傳輸?shù)娇刂剖?，及時通知管理人員。當有毒有害氣體泄漏時能及時將報警信息傳遞到控制室，便于管理人員采取措施補救，盡量地減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

一、系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)由四部分組成：氣體檢測、終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和上位機。系統(tǒng)檢測氣體濃度信息，并通過Zigbee網(wǎng)絡將信息傳送給上位機。在Zigbee網(wǎng)絡中，進行協(xié)調(diào)器節(jié)點網(wǎng)絡的建立，并將節(jié)點加入進來，終端節(jié)點能夠發(fā)現(xiàn)并加入到網(wǎng)絡中來，網(wǎng)絡將完成信息的采集、處理和通信功能。終端節(jié)點與傳感器相連，采集氣體濃度、預處理、發(fā)送;協(xié)調(diào)器節(jié)點與上位機相連，通過RS232將接收到的信息發(fā)送給上位機實時顯示。

二、硬件設計

系統(tǒng)采用模塊化的設計方法進行硬件設計，方便以后增加功能和升級，增強系統(tǒng)的兼容性和擴展性。該系統(tǒng)主要包含氣體檢測模塊、Zigbee節(jié)點模塊（終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點）、上位機顯示模塊三部分，主要由CC2530芯片、MQ系列傳感器和電腦等組成。

2.1 氣體檢測模塊

MQ系列傳感器屬于半導體氣敏傳感器，敏感材料本身的活性很高，一般都是金屬氧化物半導體，具有廣泛的探測范圍、選擇性好、靈敏度高、穩(wěn)定性好等特點?？捎糜诩彝ズ凸S的氣體檢測，適用于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等多種氣體的探測。MQ型傳感器由微型陶瓷管、敏感層、測量電極和加熱器等構(gòu)成，傳感器電阻隨著氣體濃度的增加而減少，相應的輸出電壓則會變大[3]。若是傳感器環(huán)境中有待檢測的氣體，傳感器電導率也會隨著氣體濃度的不斷增加而不斷的加大。通過較為簡單的電路便能夠把電導率變化轉(zhuǎn)變成為和氣體濃度對應的信號并輸出出去。

2.2 Zigbee節(jié)點模塊

ZigBee無線通信網(wǎng)絡主要由協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點及終端節(jié)點3種節(jié)點組成。協(xié)調(diào)器是啟動網(wǎng)絡和維護網(wǎng)絡;路由節(jié)點是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包;終端節(jié)點是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在剛剛進行網(wǎng)絡建立的時候，每個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器節(jié)點往往只有一個，其需要做好發(fā)起網(wǎng)絡、設定參數(shù)、管理和維護信息相關的工作，也能夠協(xié)助進行應用層和安全層綁定。協(xié)調(diào)器節(jié)點主要由處理器模塊、RF前端、電源管理模塊及各外部接口等組成。終端節(jié)點是具體執(zhí)行的數(shù)據(jù)收集傳送的設備，無法連接到其他節(jié)點并且不能傳送其他節(jié)點的消息，是整個網(wǎng)絡的最后一點，只能直接向協(xié)調(diào)器返回數(shù)據(jù)。

CC2530芯片是TI公司推出的Zigbee/IEEE802.15.4標準的系統(tǒng)級芯片，其網(wǎng)絡節(jié)點建立的成本比較低，網(wǎng)絡節(jié)點本身也比較強大。CC2530 結(jié)合了領先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強大的功能[4]。CC2530 具有不同的運行模式，這也確保了其能夠滿足超低功耗要求系統(tǒng)。運行模式轉(zhuǎn)換時間也能夠降低能源消耗。以CC2530為核心，配合不同的外圍電路即可構(gòu)成類型的網(wǎng)絡節(jié)點（終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點）。

2.3 顯示模塊

終端節(jié)點采集信息顯示在LCD上，協(xié)調(diào)器節(jié)點通過RS232與PC機相連顯示信息。

三、軟件設計

本系統(tǒng)在IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境下，采用TI-Zs tack協(xié)議棧，用C語言編寫程序，并編譯、調(diào)試。實現(xiàn)的功能有數(shù)據(jù)采集、存儲、發(fā)送和顯示等。協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點的工作流程圖分別如下圖1和圖2所示。

四、系統(tǒng)測試

將程序分別下載到協(xié)調(diào)器節(jié)點與終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器連接PC機，打開串口調(diào)試助手，設置相應的COM口及波特率;帶LCD顯示的終端節(jié)點與氣體傳感器相連檢測氣體濃度信息。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡后，兩個節(jié)點間可按照Zigbee協(xié)議正常通信，終端節(jié)點采集信息顯示在LCD上并無線發(fā)送，協(xié)調(diào)器節(jié)點無線接收到信息并發(fā)送給PC，顯示在串口調(diào)試助手界面上。根據(jù)以上測試，Zigbee數(shù)據(jù)發(fā)送和接收如圖3和圖4所示。

五、結(jié)論

本文設計了教學案例基于Zigbee技術的氣體監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Zigbee技術，以低成本、低功耗的CC2530為核心，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。該教學案例有助于學生更好地理解無線傳感器網(wǎng)絡與zigbee技術的應用。

參? 考? 文? 獻

[1] 高守瑋， 吳燦陽. Zigbee技術實踐教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社， 2011： 27-52

GAO S W， WU C Y. Zigbee technology practice tutorial [M]. Beijing： Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press， 2011： 27-52

[2] 張立， 劉奕君， 趙強. 基于CC2530的重癥監(jiān)護病房環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 計算機測量與控制， 2014，22（8）： 2422-2424

ZHANG L， LIU Y J， ZHAO Q. The design of environmental monitoring system in the intensive care unit based on CC2530 [J]. Computer Measurement and Control， 2014， 22（8）： 2422-2424

[3] 蘇潤， 陳峰， 劉錦淮. 氣敏傳感器信號采集的研究[J]. 半導體技術， 2003，28（11）： 52-55

SU R， CHEN F， LIU J H. Study on signal acquisition of gas sensor [J]. SemiconductorTechnology， 2003， 28（11）： 52-55