摘 要 溫濕度同日常生產(chǎn)、生活密切相關(guān)，對其加以采集監(jiān)測極為重要。而傳統(tǒng)有線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)其在監(jiān)測環(huán)境與數(shù)據(jù)信息的傳輸距離上存在著一定限制，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)則通過無線收發(fā)及GSM通信來實現(xiàn)對溫濕度多節(jié)點的實時監(jiān)測。故本文就以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)加以探討。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng) 設(shè)計探究

隨著人們對居室環(huán)境與公共場所舒適度的日益關(guān)注，環(huán)境溫濕度監(jiān)測在高端家居及公共建筑等的室內(nèi)環(huán)境已成為常規(guī)監(jiān)測項目。新建筑其在設(shè)計時便對溫濕度監(jiān)測傳感器的布置點、信號傳輸線提前進(jìn)行確定與布置；而老舊建筑抑或是設(shè)計階段未對溫濕度監(jiān)測納入考慮的建筑要對其進(jìn)行溫濕度監(jiān)測，傳統(tǒng)的有線檢測模式則會對內(nèi)部裝修造成破壞。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)便為該問題的解決奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)其由無線溫濕度傳感器節(jié)點、接收模塊、監(jiān)控計算機(jī)所構(gòu)成。其中，傳感器節(jié)點用于對現(xiàn)場各溫濕度監(jiān)測地點溫濕度數(shù)據(jù)的實時采集，而后進(jìn)行編碼并將之發(fā)送到接收模塊，而后由接收模塊將所接收數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控計算機(jī)予以存儲和顯示。監(jiān)控計算機(jī)經(jīng)由3G網(wǎng)絡(luò)模塊來接入到互聯(lián)網(wǎng)，而后將所采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。本系統(tǒng)其關(guān)鍵在于對無線溫濕度傳感器節(jié)點進(jìn)行設(shè)計和以無線互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程信號的傳輸。本系統(tǒng)監(jiān)控計算機(jī)可被視作服務(wù)器，而客戶端則是遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的計算機(jī)，一旦服務(wù)器接收到客戶端所發(fā)送的數(shù)據(jù)請求，便會將所采集數(shù)據(jù)經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)來傳輸至客戶端（遠(yuǎn)程監(jiān)控中心計算機(jī)），以供監(jiān)控中心進(jìn)行調(diào)閱，達(dá)到異地、遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 無線傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

2.1 CC2430

采用增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，性能高，電源管理模式具有可選擇性，可對系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行靈活配置以促使功耗得以降低；處于休眠模式時期電流消耗低至0.9μA，而處于待機(jī)模式時期電流消耗則低于0.6μA；以CC2430為基礎(chǔ)所設(shè)計節(jié)點所需外圍電路較少便可完成數(shù)據(jù)采集與發(fā)送，使系統(tǒng)可靠性得以提高，功耗得以降低。

2.2 傳感器

本系統(tǒng)選擇SHT71數(shù)字型為大氣溫濕度傳感器，其工作電流：550μA，其待機(jī)時僅需0.3μA電流；溫濕度測量精度：±0.3攝氏度、≤1.8%；接口：21C。選擇ISI29010數(shù)字型為光照強(qiáng)度傳感器，其工作電流：0.25mA，其待機(jī)電流：0.1μA；其測量精度：±50lux；接口：21C。選擇SLST1-5數(shù)字型為土壤溫度傳感器，其測量電流：1.5mA；其待機(jī)電流：1μA；其測量精度：±0.5攝氏度；接口：單總線。選擇H550數(shù)字型為二氧化碳傳感器，其工作電流：15mA；其精度：±30ppm；接口：21C。選擇FDS100模擬型為土壤濕度傳感器，其工作電流：15mA；精度：≤3%；輸出：模擬信號。

2.3 ZigBee通信協(xié)議

該協(xié)議復(fù)雜度低、距離近、功耗低、速率低、成本低，可對能量進(jìn)行檢測，對鏈路質(zhì)量進(jìn)行指示，設(shè)備可依據(jù)檢測結(jié)果對發(fā)射功率自動加以調(diào)整，在通信鏈路質(zhì)量得以確保的基礎(chǔ)上設(shè)備能好達(dá)到最低。本系統(tǒng)無線傳感器節(jié)點包括路由節(jié)點、終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點，分別完成數(shù)據(jù)的采集與匯聚等功能。在節(jié)點軟件的設(shè)計中，通過對ZigBee協(xié)議棧所提供的API函數(shù)的調(diào)用來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理層設(shè)備的初始化、網(wǎng)絡(luò)配置與啟動，使分布于各溫室中無線傳感器節(jié)點能夠自組網(wǎng)絡(luò)。為實現(xiàn)節(jié)點功耗的進(jìn)一步降低，本系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了靈活、定時休眠與喚醒、可動態(tài)配置等相關(guān)功能的設(shè)計。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 ZigBee協(xié)調(diào)器

本設(shè)計通過ZigBee協(xié)議將傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集的全部數(shù)據(jù)匯聚至協(xié)調(diào)器節(jié)點，故本設(shè)計將ZigBee協(xié)調(diào)器加點嵌入網(wǎng)關(guān)節(jié)點，并經(jīng)由串口同網(wǎng)關(guān)間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3.1.2 MC39i

MC39i對GSM900與GSM1800雙頻網(wǎng)絡(luò)均支持，其接手速率每秒可達(dá)到86.20kb，其發(fā)送速率每秒可達(dá)到21.5kb，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)小數(shù)據(jù)傳輸量要求完全滿足。

3.1.3 通用外圍接口

該接口網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)擴(kuò)展能力較強(qiáng)，其帶觸摸屏LCD用于網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)信息的交互；USB接口則可外接鍵盤、鼠標(biāo)等；SD卡可發(fā)揮拓展存儲器的作用；而RJ45接口使網(wǎng)關(guān)得以接入到以太網(wǎng)。

3.1.4 電源

變壓器將市電（220V）降至12V直流電，以此為網(wǎng)關(guān)主電源；以12V蓄電池為系統(tǒng)備用電源，以確保電源的不間斷，斷電時系統(tǒng)仍可繼續(xù)正常運行。

3.2 網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)

本設(shè)計以流式套接字來確保IP/TCP協(xié)議Socke網(wǎng)絡(luò)通信的實現(xiàn)。SQLite體積小、高效快速、移植簡便、可開源。故本設(shè)計以SQLite為基礎(chǔ)軟件來完成環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)管理軟件，以此來管理傳感器節(jié)點與環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.2.1 節(jié)點管理

由于監(jiān)測區(qū)域無線傳感器節(jié)點數(shù)量及類型存在較大差異，故需對其加以統(tǒng)一管理。節(jié)點管理主要有節(jié)點電量/位置/ID、采樣周期、傳感器類型、運行狀態(tài)及更新時間等相關(guān)屬性的配置。

3.2.2 數(shù)據(jù)管理及預(yù)警

SQLite數(shù)據(jù)庫對網(wǎng)關(guān)所接收的周期性環(huán)境信息進(jìn)行存儲、查詢等相關(guān)管理；還需對寫入數(shù)據(jù)可各個環(huán)境數(shù)據(jù)加以判斷，一旦室溫超過管理人員所設(shè)置安全范圍，警報器、GSM短信、閃光燈等預(yù)警方式便會啟動。

4 總結(jié)

本文就以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了分析，本設(shè)計中以SQLite數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對各類傳感器節(jié)點及大量溫濕度數(shù)據(jù)的有效管理；此外，系統(tǒng)還可進(jìn)行閃光燈、警報器及GSM短信警報，以無線遠(yuǎn)程、低成本低功耗、靈活友好為主要特點，以期為無線傳感器溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的盡早開發(fā)提供有益參考。

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作者簡介

李云龍（1983-），男，江蘇省徐州市人，碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事運動控制技術(shù)、PLC控制應(yīng)用等研究工作。

作者單位

天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津市 300350