胡霸橋，施云波，修德斌

（哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

溫度在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研以及辦公設(shè)備自動(dòng)化領(lǐng)域中，是一種十分重要的數(shù)據(jù)。溫度的測(cè)量和控制在儲(chǔ)糧倉庫、智能樓宇空調(diào)控制及其他的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。文中介紹了一種環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)庫房或其他對(duì)溫度要求十分嚴(yán)格的場(chǎng)所，并通過無線協(xié)調(diào)器控制GPRS進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)顯示，進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。報(bào)警還可通過GPRS以短信的方式發(fā)送到管理員的手機(jī)上，以便及時(shí)處理。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

系統(tǒng)以CC2430單片機(jī)為核心，作為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸功能。無線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)和帶有GPRS嵌入式系統(tǒng)組成，實(shí)時(shí)測(cè)量溫度參數(shù)，所有節(jié)點(diǎn)采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過ZigBee無線通信技術(shù)最終路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將全部數(shù)據(jù)傳輸給GPRS模塊，最終通過GPRS和Internet網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。在VB6.0編程環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、分析。上位機(jī)和下位機(jī)之間采用無線通信方式進(jìn)行傳輸。該系統(tǒng)采用ZigBee的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖1 ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 ZigBee mesh network

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求以及功能要求，無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括傳感器單元、處理器單元、射頻單元等。傳感器DS18B20負(fù)責(zé)采集溫度參數(shù)。數(shù)據(jù)提供給CC2430進(jìn)行處理、分析并將數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.2 System structure

2.2 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS模塊SIM300進(jìn)行有線的串口通信，節(jié)點(diǎn)單片機(jī)CC2430將從傳感器節(jié)點(diǎn)處獲得的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)行地址分類和處理，通過RS-232通信接口進(jìn)行傳輸，單片機(jī)可以發(fā)送AT指令對(duì)SIM300進(jìn)行控制，設(shè)置發(fā)送模式，發(fā)送短消息進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？梢钥焖?、安全、可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)和短消息服務(wù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

文中應(yīng)用IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境，在TI提供的ZStack-1.4.2-1.1.0協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，編寫了本系統(tǒng)的應(yīng)用程序代碼。ZStack協(xié)議棧提供了一些應(yīng)用接口，如aplFormNetwork（）、aplJoinNetwork（）、aplSendMSG（）等函數(shù)，用戶可以通過調(diào)用這些函數(shù)來編寫自己的開發(fā)與應(yīng)用程序。單片機(jī)CC2430通過串行通信對(duì)SIM300模塊進(jìn)行寫AT指令來完成GPRS模塊的無線通訊功能。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

當(dāng)CC2430內(nèi)部的定時(shí)器定時(shí)溢出時(shí)，從休眠狀態(tài)喚醒傳感器。程序啟動(dòng)后，首先對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)的各模塊進(jìn)行初始化工作。然后進(jìn)行各模塊的配置，配置完成后進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集完后統(tǒng)一發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集次數(shù)達(dá)到規(guī)定次數(shù)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次數(shù)據(jù)采集。傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集Fig.3 Data collection of sensor node

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和加入

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)的建立

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器具有建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)鄰居設(shè)備表、對(duì)邏輯網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行分配、允許設(shè)備MAC層/應(yīng)用層的連接或斷開網(wǎng)絡(luò)的功能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在進(jìn)行一些初始化之后，調(diào)用aplFormNetwork（）來建立網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器通過掃描一個(gè)空信道來建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，然后選擇一個(gè)隨機(jī)的PANID并開始監(jiān)聽此信道。同時(shí)協(xié)調(diào)器還有一個(gè)目前連接設(shè)備的列表，以支持其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建立程序如下：

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)的加入

當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)建立成功后，便要考慮路由節(jié)點(diǎn)和RFD節(jié)點(diǎn)如何加入到網(wǎng)絡(luò)中去。路由節(jié)點(diǎn)和RFD節(jié)點(diǎn)通過調(diào)用aplJoinNetwork（）函數(shù)加入到協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中。路由節(jié)點(diǎn)和RFD節(jié)點(diǎn)掃描信道找到協(xié)調(diào)器并申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，獲取協(xié)調(diào)器的地址，同時(shí)將自己的地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)加入成功后，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)則進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到有命令或數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)才被喚醒。網(wǎng)絡(luò)加入程序如下：

3.3 ZigBee數(shù)據(jù)收發(fā)

整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)收發(fā)的功能。網(wǎng)絡(luò)管理主要負(fù)責(zé)組建無線網(wǎng)絡(luò)并分配網(wǎng)絡(luò)地址。數(shù)據(jù)收發(fā)功能主要是接收傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。ZigBee收發(fā)數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖4 ZigBee收發(fā)數(shù)據(jù)流程圖Fig.4 Zigbee send and receive data

3.4 上位機(jī)設(shè)計(jì)

基于VB6.0編程環(huán)境下，使用MSComm控件完成上位機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了與下位機(jī)通信和對(duì)下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、顯示以及數(shù)據(jù)曲線分析。MSComm控件通過串行端口傳送和接收數(shù)據(jù)，提供了基本的串行通信功能。TeeChart控件可以使各種數(shù)據(jù)以曲線方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)和實(shí)時(shí)顯示。

4 結(jié)束語

基于ZigBee技術(shù)、以CC2430無線微處理器模塊與GPRS模塊為核心的環(huán)境溫度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開發(fā)周期短、處理能力強(qiáng)、擴(kuò)展性好，能快速可靠地進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制；開放式的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了與第三方設(shè)備接口的通信，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向。

[1]韓華鋒.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（7）：158-163.

HAN Hua-feng.Design and application of ZigBee based telemonitoring system forgreenhouse environmentdata acquisition[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgricultural Engineering，2009，25（7）：158-163.

[2]王翠茹.基于ZigBee技術(shù)的溫度采集傳輸系統(tǒng) [J].儀表技術(shù)與傳感器，2008（7）：103-106.

WANG Cui-ru.Design oftemperature acquiring and transmission system based on ZigBee technique[J].Instrument Technique and Sensor，2008（7）：103-106.

[3]詹杰，吳伶錫，唐志軍.基于ZigBee的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力電子技術(shù)，2007（10）：25-26.

ZHANJie，WULin-xi，TANGZhi-jun.Designandrealizationofthe intelligent illuminating control system based on ZigBee[J].Power Electronics，2007（10）：25-26.

[4]原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2004（6）：89-91.

YUAN Yi，SU Hong-gen.The study of wireless network applications based on ZigBee technology[J].Computer Applications and Software，2004（6）：89-91.

[5]楊雪峰，胡榮強(qiáng).基于CC2430實(shí)現(xiàn)ZigBee通信[J].可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2007（7）：85-88.

YANG Xue-feng，HU Rong-qiang.A design for ZigBee wireless communication based on CC2430 RF transceiver[J].Programmable Controller&Factory Automation，2007 （7）：85-88.

[6]呂立新.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2009（8）：5-9.

LV Li-xin.Design of precision agriculture environment monitoring system based on wirelesssensornetwork[J].Computer Systems&Applications，2009（8）：5-9.

[7]Ahmet R，Hasan A.Channel estimation by using short training sequences in CDMA systems[J].Wireless Personal Communications，2008，34（4）：359-371.

[8]JIAO Yu，WU Mei-ling，TAN Jie.Design and research on GPRS DTU [J].Electric Power Automation Equipment，2009，26（3）：89-91.

[9]Bettsteter C，Vogel H J，Eberspacher J.GSM phase general packet radio service GPRS architectureprotocols air interface[J].IEEE Communications Surveys，2009，2（3）：5-6.