陳宜冬 曾卓敏

摘 要：基于CC2530 802.14.5、STH15傳感器、使用C語言構造無線溫度采集系統(tǒng)，通過RS232將采集的數(shù)據(jù)上傳到主控機進行分析并存儲，開發(fā)服務器程序，實現(xiàn)遠程用戶通過互聯(lián)網(wǎng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行的實時監(jiān)控。解決了現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時存儲、故障分析、預警處理的問題。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；Zigbee；CC2530

引言

溫度采集在很多應用系統(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)點復雜等困難、可靠性低等缺點，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)和設備狀態(tài)傳到遠程用戶，實現(xiàn)遠程用戶對現(xiàn)場數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)的實時監(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)的體系結構

本系統(tǒng)由傳感器節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點、主控機、互聯(lián)網(wǎng)和遠程監(jiān)控用戶組成。基于物聯(lián)網(wǎng)的無線溫度檢測系統(tǒng)的體系結構如圖1 所示。

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

由傳感器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點構成了物聯(lián)網(wǎng)的感知層，由無線網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)構成了物聯(lián)網(wǎng)的傳輸層，由主控機和遠程用戶構成了物聯(lián)網(wǎng)的應用層[2]。傳感器節(jié)點采集現(xiàn)場的溫度，通過無線的方式傳輸?shù)絽f(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器節(jié)點通過RS232總線將采集到的數(shù)據(jù)傳到主控機中，主控機對采集到的數(shù)據(jù)分析、存儲、預處理、報警等處理，遠程用戶通過互聯(lián)網(wǎng)對設備的狀態(tài)實時監(jiān)控。

2 傳感器節(jié)點的設計

傳感器節(jié)點用于保溫箱溫度的采集、標度變換、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。傳感器?jié)點由電源模塊、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)點結構圖

2.1 傳感器節(jié)點的硬件結構

處理器模塊和通信模塊由CC2530[3]實現(xiàn)。CC2530 是德州儀器開發(fā)的用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 應用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案，內部集成了具有代碼預取功能的低功耗8051 微控制器內核，能夠以非常低的成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。CC2530內部集成了一個溫度傳感器和一個12位的A/D轉換器，但其精度不高，所以傳感器模塊由STH15實現(xiàn)。SHT15是Sensirion公司溫濕度傳感器，兩線制的串行接口與內部的電壓調整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單，該產(chǎn)品具有品質卓越、響應迅速、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。

2.2 傳感器節(jié)點的軟件設計

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

圖3 傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)格式

3 協(xié)調器節(jié)點的設計

協(xié)調器節(jié)點用于無線網(wǎng)絡的管理，對傳感器節(jié)點進行認證，只有通過認證的傳感器節(jié)點才能在網(wǎng)絡中發(fā)送有效的數(shù)據(jù)。協(xié)調器節(jié)點由電源模塊、串口模塊、處理器模塊和通信模塊組成，結構如圖4所示：

圖4 協(xié)調器節(jié)點結構圖

串口模塊由MAX232[5]實現(xiàn)，用來實現(xiàn)協(xié)調器節(jié)點和主控機的通信。處理器模塊和通信模塊由CC2530實現(xiàn)，負責接收傳感器節(jié)點的發(fā)送的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)預處理，然后將數(shù)據(jù)通過串行口送到主控機中。主控機的功能是接收協(xié)調器節(jié)點的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析、處理、存儲，通過服務器程序將數(shù)據(jù)發(fā)送發(fā)到遠程用戶端，實現(xiàn)遠程用戶對設備狀態(tài)的實時監(jiān)測。主控機和協(xié)調器節(jié)點通信的數(shù)據(jù)幀格式如圖5所示：

圖5 協(xié)調器與主控器通訊數(shù)據(jù)幀格式

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

系統(tǒng)實現(xiàn)

將4個傳感器節(jié)點分布在不同位置，設置不同的環(huán)境溫度，在主控機上設置溫度的報警閾值，其它主機通過互聯(lián)網(wǎng)，實時監(jiān)測傳感器節(jié)點的溫度。在實驗的過程中將4號節(jié)點關閉，然后再打開，通過遠程監(jiān)控端查看各傳感器節(jié)點的狀態(tài)，如圖6所示：

圖6 遠程監(jiān)控端查看各傳感器節(jié)點的狀態(tài)

通過實驗，能夠準確地測得各傳感器節(jié)點的溫度值，在2、3、4次采樣的數(shù)據(jù)中節(jié)點4的值為“*”，是因為實驗過程中關閉了4號節(jié)點，打開4號節(jié)點后其溫度值正確地傳到了客戶端。實驗結果和實驗現(xiàn)場完全一致。

4 結束語

分析了物聯(lián)網(wǎng)技術和溫度采集的方法，采用CC2530和STH15實現(xiàn)了溫度的無線采集、傳輸，遠程用戶通過Internet，可對設備狀態(tài)進行在線監(jiān)測，實現(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，杜絕了單個設備節(jié)點失效后設備狀態(tài)無法檢測的缺點。本系統(tǒng)采用不同的傳感器，可實現(xiàn)濕度、氣體濃度、壓力等現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

參考文獻

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[5]郭付才，王洪濤，劉志華.基于AT89C51單片機的RS-232串行數(shù)據(jù)截取器設計[J].現(xiàn)代電子技術2012（4）：95-97.

作者簡介：陳宜冬（1969，11-），男，哈爾濱理工大學副教授，研究方向：嵌入式、網(wǎng)絡應用。

曾卓敏（1994-），哈爾濱理工大學。