孫長(zhǎng)偉，王艷春，黃迎輝，劉 娜

（蚌埠學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

孫長(zhǎng)偉，王艷春，黃迎輝，劉 娜

（蚌埠學(xué)院，安徽 蚌埠 233030）

本文設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)家居監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)選用CC2530芯片自組網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，并將接收到的數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器上傳到監(jiān)控中心進(jìn)行分析，并做出反饋，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

ZigBee；無線通信；傳感器

近年來，隨著人們家居裝修要求的提高，工業(yè)板材及甲醛含量較高的裝修材料使室內(nèi)環(huán)境不容樂觀，對(duì)家居環(huán)境的監(jiān)測(cè)成為了必要。通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳感器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展為我們擁有一個(gè)舒適的家居環(huán)境提供了條件，家居環(huán)境監(jiān)測(cè)為健康家居環(huán)境的建立提供保障［1］。本文設(shè)計(jì)的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的家居環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地監(jiān)控家居環(huán)境參數(shù)，確保人們生活環(huán)境健康，減少人們長(zhǎng)時(shí)間生活在受污染嚴(yán)重的環(huán)境中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種低成本、低功耗、可自組網(wǎng)的通信技術(shù)，既作為子系統(tǒng)嵌入在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，也在低功耗的通信領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用［2］。ZigBee由終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由器、ZigBee協(xié)調(diào)器三部分構(gòu)成。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體由嵌入ZigBee模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和PC組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖可知，家居環(huán)境中的信息通過傳感器節(jié)點(diǎn)完成采集與發(fā)送，通過路由器將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。路由器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)初始化并完成網(wǎng)絡(luò)的組建、終端節(jié)點(diǎn)的管理及與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信。監(jiān)測(cè)區(qū)域較大時(shí)刻可以減少傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量來減少成本，節(jié)省資源。當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域變大時(shí)，可以增加節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，增加監(jiān)測(cè)范圍。PC機(jī)實(shí)時(shí)顯示家居環(huán)境中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并且可以通過上位機(jī)界面來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的管理和配置。

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

協(xié)調(diào)器模塊由電源模塊，時(shí)鐘模塊，天線等組成，在系統(tǒng)中ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)初始化及網(wǎng)絡(luò)組建功能。并且對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過串口完成與上位機(jī)的通信。該節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖

節(jié)點(diǎn)模塊功耗低，本系統(tǒng)中采用3V的干電池供電，系統(tǒng)所需為2.0V～3.3V供電電壓，本部分的設(shè)計(jì)采用外部?jī)晒?jié)干電池對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電可以滿足要求。一部分電路需要1.8V電壓，因此通過電壓轉(zhuǎn)換電路可以實(shí)現(xiàn)1.8V電壓供電。根據(jù)CC2530對(duì)電壓的要求，采用REG1117-1.8以實(shí)現(xiàn)1.8V電壓的輸出，其最大輸出電流可達(dá)1A。

CC2530芯片的時(shí)鐘部分則由兩個(gè)不同頻率部分組成，分別為：32MHz的頻率提供給系統(tǒng)進(jìn)行正常的工作的時(shí)鐘頻率，而32.768KHZ則提供了系統(tǒng)在低功耗的模式下的工作頻率，以節(jié)省能耗。射頻天線單元由阻抗匹配電路和天線饋線電路組成。本系統(tǒng)中采用Whip天線，具有高可靠性的全向天線。

3 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集家居環(huán)境中的物理信息，并經(jīng)路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊和信號(hào)調(diào)理模塊構(gòu)成。

終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)溫濕度，光照度及氣體等物理信息的采集。信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3中為了避免一級(jí)放大造成的噪聲加大，信號(hào)失真，采用兩級(jí)放大。直流分量通過C1濾出，其數(shù)值幾μF。第一級(jí)放大電路由第一個(gè)LM324 和R1，R3組成，其放大倍數(shù)為

第二級(jí)放大電路由第三個(gè)LM324，R8，R10組成，放大到可以完成A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)量級(jí)。。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

4 軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立無線網(wǎng)絡(luò)，接收終端節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息并報(bào)警或顯示，發(fā)送命令控制節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)。系統(tǒng)應(yīng)用層的程序主要包括家電控制，傳感，無線數(shù)據(jù)傳輸和人機(jī)交互模塊，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，報(bào)警或顯示，發(fā)送信息給協(xié)調(diào)器。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有低功耗的特性，只有收到控制命令時(shí)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。通過Z-Stack協(xié)議棧是基于輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的，并提供了完整的路由協(xié)議，本系統(tǒng)的主要任務(wù)是在Z-Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上完成對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)及通信協(xié)議的軟件設(shè)計(jì)。

嵌入ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)完成溫濕度、甲醛濃度及光照度等家居環(huán)境中空氣參數(shù)的采集和收發(fā)。傳感器節(jié)點(diǎn)處于低功耗模式下，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)被喚醒且收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的命令模式，開始進(jìn)項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)初始化，開始采集數(shù)據(jù)，讓后將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，加入網(wǎng)絡(luò)。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建，指令發(fā)送和數(shù)據(jù)的收發(fā)，與上位機(jī)通信。ZigBee數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用Z-Stack協(xié)議棧，符合802.15.4協(xié)議.

5 小結(jié)

本設(shè)計(jì)的基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)家居監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠完成家居環(huán)境中溫濕度、甲醛濃度、光照度等的物理信息采集。該系統(tǒng)功耗低，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可自組網(wǎng)，借助這些優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地監(jiān)控家居環(huán)境，確保人們生活環(huán)境的健康，減少人們長(zhǎng)時(shí)間生活在受污染嚴(yán)重的環(huán)境中。

［1］易強(qiáng)，基于3G和ZigBee的智能家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.廣州：廣東工業(yè)大學(xué)：2012.

［2］徐振陽，竇文華.無線傳感反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)綜述［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)2005（9）：26-30.

Environmental Monitoring System based on Wireless Sensor Network

SUN Chang-wei，WANG Yan-chun，HUANG Ying-hui，LIU Na
（Department of Mechanical and Electronic Engineering，Bengbu University，Bengbu 233030，P.R.C.）

In this paper，a ZigBee based wireless sensor network is designed.The system based on CC2530 chip，is used to receive and transmit data.The received data is uploaded to the monitoring center to analyze the data.

ZigBee；wireless communication；sensor

TN915.08

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.04.031

1672-7304（2015）04-0064-02

安徽高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2013Z201）；地方高校國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201311305011）。

（責(zé)任編輯：吳湘銀）

孫長(zhǎng)偉（1982-），女，山東濰坊人，講師，研究方向：信號(hào)處理，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。