尹紅敏，王康誼，錢 超

（中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西太原 030051）

0 引言

鑒于現(xiàn)有室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)存在的弊端和問(wèn)題，本文提出一種基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)方案，旨在克服室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)存在的弊端，解決室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和信息交互的技術(shù)問(wèn)題。

ZigBee技術(shù)[2]是一種新興的短距離、低功耗、低速率、低成本、高容量的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，承載這種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的CC2430高性能單片機(jī)[3]，與現(xiàn)代傳感器模塊相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的智能化檢測(cè)，達(dá)到中央實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、報(bào)警，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。它具有施工簡(jiǎn)單、檢測(cè)節(jié)點(diǎn)多、擴(kuò)展容易、維修方便的特點(diǎn)，為室內(nèi)環(huán)境提供現(xiàn)代化、智能化的科學(xué)、高效的管理手段。

1 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)采用ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]，適用于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)傳輸距離較近、環(huán)境干擾大、時(shí)間要求高、數(shù)據(jù)傳輸量大的場(chǎng)合。

圖1 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖

主機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的中央監(jiān)控設(shè)備，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)分析處理和調(diào)節(jié)設(shè)備控制，通過(guò)豐富的顯示界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。主機(jī)通過(guò)RS232接口[5]有線連接中心節(jié)點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)均采用CC2430芯片。中心節(jié)點(diǎn)[6]通過(guò)CC2430芯片集成的無(wú)線收發(fā)模塊，與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線收發(fā)通訊。終端節(jié)點(diǎn)[6]是網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量最多的節(jié)點(diǎn)類型，結(jié)合相應(yīng)的傳感器及信號(hào)處理模塊，負(fù)責(zé)采集室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)要檢測(cè)的相關(guān)參數(shù)定時(shí)或?qū)崟r(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳，直至中央監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)。

1.1 中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通訊、控制核心，通過(guò)RS232串口與控制計(jì)算機(jī)相連，通過(guò)計(jì)算機(jī)的人機(jī)交換界面，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的可控性和可視性。終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的中央監(jiān)測(cè)與調(diào)節(jié)。通過(guò)功能模塊設(shè)計(jì)，具有功能鍵設(shè)定、液晶參數(shù)顯示、越限提示報(bào)警和設(shè)備自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能。中心節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 中心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

中心節(jié)點(diǎn)的功能模塊包括調(diào)節(jié)輸出模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊等?？刂普{(diào)節(jié)模塊通過(guò)光電隔離、耦合，連接外圍的驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備的自動(dòng)控制。報(bào)警模塊通過(guò)一個(gè)P0.3接口，連接報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而可以驅(qū)動(dòng)聲、光報(bào)警設(shè)備[7]，實(shí)現(xiàn)環(huán)境設(shè)定參數(shù)的超限報(bào)警。液晶或LED顯示模塊，可以根據(jù)供電情況進(jìn)行選擇。當(dāng)局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)脫離中央監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)獨(dú)立工作時(shí)，在功能按鍵的配合下，可以通過(guò)顯示模塊了解傳感器終端節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的相關(guān)信息。功能按鍵模塊，可以實(shí)現(xiàn)中心節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)通訊的定點(diǎn)選擇或輪回選擇，配合顯示模塊，可以實(shí)現(xiàn)靈活的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。中心節(jié)點(diǎn)的上行數(shù)據(jù)主要是輪回上傳各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總給主機(jī)，下行數(shù)據(jù)主要是傳達(dá)主機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)需求，起到上傳下達(dá)的紐帶作用。

1.2 終端子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

終端節(jié)點(diǎn)是帶傳感器的網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)。室內(nèi)環(huán)境所涉及的主要環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)，包括溫濕度、光照度、甲醛等傳感器模塊，主要硬件為數(shù)字式傳感器及其輔助電路，包括傳感器工作電路和信號(hào)處理電路。此處傳感器模塊采用了數(shù)字傳感器模塊，如溫濕度傳感器SHT11[8]，方便了傳感器模塊的接口設(shè)計(jì)。

根據(jù)需要在終端節(jié)點(diǎn)也可選擇顯示、報(bào)警和功能鍵模塊，用于本檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)檢測(cè)、聲光提示、參數(shù)設(shè)定等。中心節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)之間的上下行數(shù)據(jù)，主要包括下傳主機(jī)的數(shù)據(jù)需求指令，以及收集各終端節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算、匯總后通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)上傳到主機(jī)，使主機(jī)隨時(shí)掌握終端的現(xiàn)場(chǎng)情況。

終端節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，ZigBee技術(shù)采用特有的低功耗設(shè)計(jì)，休眠模式時(shí)僅0.9μA的流耗，可用外部中斷或定時(shí)中斷RTC喚醒系統(tǒng)；待機(jī)模式時(shí)的電流消耗少于0.6μA，也可以用外部中斷喚醒系統(tǒng)，可以保證電池工作很長(zhǎng)時(shí)間。

2 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 中心節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)主要由主程序、數(shù)據(jù)巡回采集及處理子程序、顯示子程序、越限報(bào)警子程序、鍵盤掃描。中心節(jié)點(diǎn)主程序設(shè)計(jì)可以根據(jù)功能需要靈活設(shè)計(jì)，如果要使中心節(jié)點(diǎn)脫離工控機(jī)獨(dú)立工作，是以主從工作模式進(jìn)行通信，還需要設(shè)計(jì)顯示、報(bào)警、鍵盤等中斷服務(wù)子程序。中心節(jié)點(diǎn)主程序是以主動(dòng)的方式按照固定順序周而復(fù)始地呼喚終端節(jié)點(diǎn)而取得數(shù)據(jù)。其主程序流程圖如圖4所示。

圖4 中心節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

2.2 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)連接相關(guān)的傳感器模塊，工作主程序流程圖如圖5所示。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

終端節(jié)點(diǎn)主程序開始后進(jìn)行初始化，然后連續(xù)讀取各個(gè)傳感器的狀態(tài)參數(shù)，并通過(guò)運(yùn)算后進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。在所有傳感器數(shù)據(jù)讀取完畢后，檢查有無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送呼喚，如沒(méi)有呼喚繼續(xù)輪回檢測(cè)傳感器狀態(tài)。如有中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送呼喚，調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送子程序，直至全部數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，再進(jìn)行下一輪傳感器數(shù)據(jù)采集。如果讀取的傳感器數(shù)據(jù)超限或有功能鍵按下，則采用中斷的方式執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。

3 檢測(cè)結(jié)果及分析

針對(duì)不同的對(duì)象，選用不同的傳感器模塊。本文主要利用溫濕度傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫濕度的采集監(jiān)測(cè)。本文采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT11來(lái)測(cè)量室內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度，并將數(shù)據(jù)發(fā)送上傳，在主機(jī)上顯示?？赏ㄟ^(guò)圖形，直接觀察傳感器數(shù)據(jù)，更貼近于應(yīng)用；增加了濕度與電池電壓的直觀顯示；濕度顯示精度增加為小數(shù)點(diǎn)后兩位，溫度范圍可顯示至零下，可滿足更多應(yīng)用環(huán)境的需求。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的溫度為20.23℃，相對(duì)濕度大約50%。溫度檢測(cè)誤差不超過(guò)±0.5℃，濕度的檢測(cè)誤差在5%(相對(duì)濕度)之內(nèi)。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)滿足室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。實(shí)驗(yàn)測(cè)試還可證明，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，可以在主機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到室內(nèi)環(huán)境的變化情況。檢測(cè)參數(shù)一旦超限，計(jì)算機(jī)及時(shí)響應(yīng),顯示地址和超限參數(shù)值，并進(jìn)行報(bào)警提示。

本實(shí)驗(yàn)采用的PCB天線，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信距離理論值為10cm。在同一房間內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸迅速、穩(wěn)定、可靠，如果相隔一道水泥墻，傳輸距離就受到限制了。為了擴(kuò)大傳輸距離可以采用帶鞭狀天線的射頻模塊，也可以使用CC2591提高通信距離。

4 結(jié)論

通過(guò)檢測(cè)結(jié)果分析，認(rèn)為基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的環(huán)境檢測(cè)方式相比較，具有檢測(cè)效率高、施工簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，可節(jié)省施工成本，提高檢測(cè)效率，降低檢測(cè)管理成本。實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)的智能化、現(xiàn)代化管理。通過(guò)系統(tǒng)功能進(jìn)一步開發(fā)，還能為其在本領(lǐng)域的應(yīng)用增加新的價(jià)值，因此具有較高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用價(jià)值和較好的應(yīng)用前景。

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