徐志國，陳正宇

(金陵科技學(xué)院電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在現(xiàn)代工業(yè)和農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)過程中的應(yīng)用也越來越廣泛?，F(xiàn)代工業(yè)或設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常監(jiān)測實時環(huán)境中溫度、濕度、氣體含量等參數(shù)，生產(chǎn)過程中的實時環(huán)境參數(shù)對工業(yè)生產(chǎn)的安全、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量尤為重要。對于范圍大、面積廣、數(shù)目多的現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)控而言，監(jiān)測系統(tǒng)的部署與維護，存在成本高昂、技術(shù)應(yīng)用推廣難度大等問題。目前的無線環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置存在著數(shù)據(jù)采集的功能相對單一、傳輸距離近、抗干擾能力比較弱等一些缺點。針對這些問題展開研究，設(shè)計了一種基于CC2530的無線環(huán)境數(shù)據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)具有穩(wěn)定高、可靠性強、擴展應(yīng)用方便等特點，只需選擇不同類型的傳感器即可構(gòu)成針對不同應(yīng)用的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測工作站、協(xié)調(diào)器節(jié)點和無線傳感器監(jiān)測節(jié)點3部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 無線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The wireless monitoring system

1) 無線傳感器監(jiān)測節(jié)點。該傳感器節(jié)點主要可用于測量環(huán)境溫度、濕度、氣體濃度等參數(shù)，部署在需要對環(huán)境參數(shù)進行檢測的場合。傳感器監(jiān)測節(jié)點根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)置要求按照固定時間間隔向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)。每個節(jié)點都有1個ID編號，根據(jù)監(jiān)測場景的需求，系統(tǒng)將編號和每個節(jié)點的安裝地點一起存入監(jiān)測工作站的數(shù)據(jù)庫。

2) 協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器根據(jù)傳感器節(jié)點的部署而進行配置，主要功能是負責(zé)接收和顯示各無線傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。當檢測點監(jiān)測數(shù)據(jù)超過限定值時，系統(tǒng)進行聲光報警，同時通過串口通信將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測工作站，并響應(yīng)監(jiān)測工作站的命令。

3) 監(jiān)測工作站。監(jiān)測工作站負責(zé)收集由總線發(fā)來的各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，實時顯示各監(jiān)測區(qū)域監(jiān)測點的環(huán)境數(shù)據(jù)以及變化曲線，具有查詢分析功能，一旦發(fā)現(xiàn)參數(shù)超過設(shè)定閾值時，將啟動報警功能提醒工作人員及時響應(yīng)。

2 無線傳感器監(jiān)測節(jié)點設(shè)計

2.1 傳感器監(jiān)測節(jié)點的總體結(jié)構(gòu)

無線傳感器監(jiān)測節(jié)點主要由4部分構(gòu)成，分別是傳感器模塊、處理器模塊、無線射頻模塊以及電源管理模塊，其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 無線傳感器監(jiān)測節(jié)點結(jié)構(gòu)Fig.2 The wireless sensor monitoring nodes

無線傳感器節(jié)點的設(shè)計一般有兩種設(shè)計方案：1) 選擇1個主控芯片和1個射頻芯片，比如選擇430單片機和CC2430無線射頻芯片，由于傳感器節(jié)點是由MCU和無線通信模塊的組合，需要設(shè)計MCU和射頻模塊之間的接口，因此系統(tǒng)的兼容性和可靠性比較差；2) 選擇集成了主控芯片和射頻模塊的片上系統(tǒng)芯片，這種方案減少了電路設(shè)計的工作量、增加了系統(tǒng)的可靠性，同時減小了節(jié)點的體積與重量。因此本系統(tǒng)采用集成MCU和射頻收發(fā)模塊的SOC設(shè)計方式，選擇TI公司的CC2530為核心來設(shè)計傳感器節(jié)點以便實現(xiàn)節(jié)點的微小化和低功耗[2]。

2.2 傳感器監(jiān)測節(jié)點的電路設(shè)計

TI公司的CC2530是一款支持ZigBee 2007/PRO協(xié)議的無線射頻芯片，其片上集成單片機、AD轉(zhuǎn)換和無線射頻模塊。ZigBee 2007/PRO具有支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和低功耗特點，而且具有更好的互操作性，在節(jié)點密度管理、數(shù)據(jù)負荷管理和頻率捷變等方面有都有重大進步[3]。CC2530片內(nèi)集成壓控振蕩器，只需要配置晶振、天線等少量的外圍元件就能工作，工作頻率2.4 GHz?；贑C2530設(shè)計的無線傳感器節(jié)點具有通信距離遠、組網(wǎng)性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。CC2530片內(nèi)集成的DC-DC轉(zhuǎn)換電路，能夠把外界提供的3.3 V的電壓轉(zhuǎn)化為片內(nèi)需要的1.8 V電壓，因此功耗很低，非常適合用于電池供電的設(shè)備。基于CC2530設(shè)計的無線傳感器監(jiān)測節(jié)點電路如圖3所示。節(jié)點預(yù)留多個傳感器接口，方便選擇不同類型傳感器來構(gòu)成適應(yīng)于不同應(yīng)用的無線傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點[4]。

圖3 無線傳感器監(jiān)測節(jié)點電路Fig.3 The schematics of wireless sensor monitoring nodes

3 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要功能是負責(zé)接收和顯示各傳感器節(jié)點測量、發(fā)送的數(shù)據(jù)同時通過串口將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測工作站，并響應(yīng)監(jiān)測工作站的命令。協(xié)調(diào)器節(jié)點由CC2530作為主控制器，由串口通信接口、LCD模塊、蜂鳴器、天線模塊、存儲器、鍵盤、時鐘及電源模塊等部分組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，LCD模塊主要用于顯示傳感器的地址編號、相應(yīng)的數(shù)據(jù)以及當前時間；存儲器用于存儲系統(tǒng)的配置參數(shù)以及超限報警的傳感器信息等；鍵盤用于切換顯示界面、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和傳感器個數(shù)等。當檢測點監(jiān)測數(shù)據(jù)超限時，系統(tǒng)通過蜂鳴器報警，并通過串口同監(jiān)測工作站進行通信[5]。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 The hardware structure of coordinator nodes

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括無線傳感器監(jiān)測節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點以及監(jiān)測工作站上位機的軟件設(shè)計。

4.1 傳感器監(jiān)測節(jié)點軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點主要功能是實現(xiàn)傳感信息的采集、轉(zhuǎn)換以及與協(xié)調(diào)器的通信。監(jiān)測節(jié)點系統(tǒng)軟件主要由初始化程序、休眠設(shè)置程序、喚醒程序和無線發(fā)射程序組成。系統(tǒng)工作流程見圖5。首先初始化CC2530及其外部設(shè)備后，然后進入休眠狀態(tài)并打開中斷，當接收到低頻喚醒中斷時，CC2530解析并匹配低頻數(shù)據(jù)，匹配完成后通過傳感器節(jié)點進行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換和存儲后通過無線發(fā)射模塊向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)[6]。

圖5 傳感器節(jié)點軟件流程Fig.5 The software flowchart of sensor nodes

4.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點主要完成接收傳感器監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)、系統(tǒng)信息的液晶顯示以及按鍵的處理等任務(wù)，同時實現(xiàn)對節(jié)點在線情況的詢問，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)測工作站上位機的串口通信。組建一個完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層來實現(xiàn)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要為新加入的節(jié)點分配地址并提供路由發(fā)現(xiàn)及路由維護等[7]，其軟件流程見圖6[8]。

4.3 監(jiān)測工作站軟件設(shè)計

監(jiān)測工作站上位機軟件作為無線監(jiān)測系統(tǒng)中人機交互的重要部分，集監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、存儲、查詢于一體。設(shè)計采用Visual Basic 6.0軟件和Access 2003數(shù)據(jù)庫完成上位機軟件開發(fā)，系統(tǒng)能完成數(shù)據(jù)幀接收，定時讀取數(shù)據(jù)庫，完成節(jié)點信息的實時更新[9]。軟件采用模塊化的程序設(shè)計，分為監(jiān)測數(shù)據(jù)采集處理與系統(tǒng)管理兩個模塊。監(jiān)測數(shù)據(jù)采集處理模塊負責(zé)與協(xié)調(diào)器通信，用于接收數(shù)據(jù)和發(fā)送指令，并將接收的信息加以處理；系統(tǒng)管理模塊包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示、超限報警、查詢與報表打印和數(shù)據(jù)庫管理等功能模塊。監(jiān)測系統(tǒng)選用溫度傳感器構(gòu)建的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件界面如圖7所示。

5 系統(tǒng)測試

5.1 溫度采集測試

測試方法：使用溫度傳感器，并由節(jié)點完成溫度數(shù)據(jù)采集，協(xié)調(diào)器通過RS-232直接與PC機連接顯示溫度值，同時通過電子溫度計實際采樣測試點溫度進行對比。測試結(jié)果如表1所示。

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程Fig.6 The software flowchart of coordinator nodes

圖7 監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件Fig.7 The PC software diagram of monitoring system

由上位機顯示的溫度與實際溫度對比可知系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測點的溫度監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)絕對誤差較小，在允許范圍內(nèi)。

5.2 無線通信測試

測試方法：由下位機不斷發(fā)射一組數(shù)據(jù)，上位機接收數(shù)據(jù)，并計算誤碼率。測試結(jié)果如表2所示。

表2 無線通信測試結(jié)果Table 2 The test results of wireless communication

從測試結(jié)果可以看出，無線通信的發(fā)射數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準確性達到了設(shè)計的要求。

6 結(jié) 語

文中設(shè)計了一種基于CC2530的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案，系統(tǒng)采用超低功耗MCU、無線收發(fā)器設(shè)計了無線傳感器監(jiān)測節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點；同時，監(jiān)測工作站的上位機軟件設(shè)計具有良好的人機交互操作界面，具有實時監(jiān)測、查詢功能。系統(tǒng)應(yīng)用擴展性強，只需選擇不同的傳感器便可構(gòu)建不同應(yīng)用場景的無線監(jiān)測系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的溫度、濕度、氣體濃度等環(huán)境信息監(jiān)測，系統(tǒng)成本低、部署方便、精度高、穩(wěn)定性強，具有良好的應(yīng)用前景。

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