陳宜冬 曾卓敏

摘 要：基于CC2530 802.14.5、STH15傳感器、使用C語言構(gòu)造無線溫度采集系統(tǒng)，通過RS232將采集的數(shù)據(jù)上傳到主控機(jī)進(jìn)行分析并存儲，開發(fā)服務(wù)器程序，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶通過互聯(lián)網(wǎng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行的實(shí)時監(jiān)控。解決了現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時存儲、故障分析、預(yù)警處理的問題。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；Zigbee；CC2530

引言

溫度采集在很多應(yīng)用系統(tǒng)中都有極其重要的作用。如嬰兒保溫箱恒溫控制系統(tǒng)等。傳統(tǒng)的溫度測量一般采用有線系統(tǒng)測量，具有布線繁瑣、添加節(jié)點(diǎn)復(fù)雜等困難、可靠性低等缺點(diǎn)，而且單個保溫箱控制失效一般由工作人員檢查得知，容易發(fā)生意外?；诨谖锫?lián)網(wǎng)[1]的無線溫度檢測系統(tǒng)采用無線采集數(shù)據(jù)、傳輸，通過互聯(lián)網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)傳到遠(yuǎn)程用戶，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶對現(xiàn)場數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、主控機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶組成?；谖锫?lián)網(wǎng)的無線溫度檢測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

由傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的感知層，由無線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層，由主控機(jī)和遠(yuǎn)程用戶構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層[2]。傳感器節(jié)點(diǎn)采集現(xiàn)場的溫度，通過無線的方式傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過RS232總線將采集到的數(shù)據(jù)傳到主控機(jī)中，主控機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)分析、存儲、預(yù)處理、報(bào)警等處理，遠(yuǎn)程用戶通過互聯(lián)網(wǎng)對設(shè)備的狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控。

2 傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)用于保溫箱溫度的采集、標(biāo)度變換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取鞲衅鞴?jié)點(diǎn)由電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊和通信模塊組成，如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)

處理器模塊和通信模塊由CC2530[3]實(shí)現(xiàn)。CC2530 是德州儀器開發(fā)的用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案，內(nèi)部集成了具有代碼預(yù)取功能的低功耗8051 微控制器內(nèi)核，能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。CC2530內(nèi)部集成了一個溫度傳感器和一個12位的A/D轉(zhuǎn)換器，但其精度不高，所以傳感器模塊由STH15實(shí)現(xiàn)。SHT15是Sensirion公司溫濕度傳感器，兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)上電后對定時器、串行口、看門狗、中斷系統(tǒng)、STH15傳感器等硬件進(jìn)行初始化，然后發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)并通過認(rèn)證程序[4]通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證加入到傳感網(wǎng)。只有經(jīng)過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)認(rèn)證后的傳感器節(jié)點(diǎn)才能向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的格式如圖3所示：

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)格式

3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)用于無線網(wǎng)絡(luò)的管理，對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)證，只有通過認(rèn)證的傳感器節(jié)點(diǎn)才能在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送有效的數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由電源模塊、串口模塊、處理器模塊和通信模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

串口模塊由MAX232[5]實(shí)現(xiàn)，用來實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和主控機(jī)的通信。處理器模塊和通信模塊由CC2530實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后將數(shù)據(jù)通過串行口送到主控機(jī)中。主控機(jī)的功能是接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲，通過服務(wù)器程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送發(fā)到遠(yuǎn)程用戶端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程用戶對設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測。主控機(jī)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)幀格式如圖5所示：

圖5 協(xié)調(diào)器與主控器通訊數(shù)據(jù)幀格式

幀標(biāo)志為0111111011111111，表示幀的開始和結(jié)束；節(jié)點(diǎn)數(shù)表示本次采集數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量；節(jié)點(diǎn)名稱是各個節(jié)點(diǎn)的邏輯地址，數(shù)據(jù)位本次采集到的溫度值，校驗(yàn)碼采用累加和校驗(yàn)。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

將4個傳感器節(jié)點(diǎn)分布在不同位置，設(shè)置不同的環(huán)境溫度，在主控機(jī)上設(shè)置溫度的報(bào)警閾值，其它主機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)的溫度。在實(shí)驗(yàn)的過程中將4號節(jié)點(diǎn)關(guān)閉，然后再打開，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控端查看各傳感器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，如圖6所示：

圖6 遠(yuǎn)程監(jiān)控端查看各傳感器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)

通過實(shí)驗(yàn)，能夠準(zhǔn)確地測得各傳感器節(jié)點(diǎn)的溫度值，在2、3、4次采樣的數(shù)據(jù)中節(jié)點(diǎn)4的值為“*”，是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過程中關(guān)閉了4號節(jié)點(diǎn)，打開4號節(jié)點(diǎn)后其溫度值正確地傳到了客戶端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場完全一致。

4 結(jié)束語

分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和溫度采集的方法，采用CC2530和STH15實(shí)現(xiàn)了溫度的無線采集、傳輸，遠(yuǎn)程用戶通過Internet，可對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，解決了有線數(shù)據(jù)采集的弊端，杜絕了單個設(shè)備節(jié)點(diǎn)失效后設(shè)備狀態(tài)無法檢測的缺點(diǎn)。本系統(tǒng)采用不同的傳感器，可實(shí)現(xiàn)濕度、氣體濃度、壓力等現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測。

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作者簡介：陳宜冬（1969，11-），男，哈爾濱理工大學(xué)副教授，研究方向：嵌入式、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

曾卓敏（1994-），哈爾濱理工大學(xué)。