季延清, 董飛翔

(長安大學 電子與控制工程學院, 陜西 西安 710064)

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基于ZigBee的建筑溫/濕度監(jiān)測及組網(wǎng)的設計

季延清, 董飛翔

(長安大學 電子與控制工程學院, 陜西 西安 710064)

介紹了基于ZigBee技術的建筑溫/濕度監(jiān)測及組網(wǎng)的設計,詳細分析了系統(tǒng)總體設計方案、硬件設計方案及軟件設計方案。傳感器將建筑物內(nèi)的溫度、濕度采集到終端模塊中,通過無線模塊傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器中,實現(xiàn)控制器系統(tǒng)對溫/濕度的采集、處理、發(fā)送等功能,提高了工作效率。

無線傳感器網(wǎng)絡; ZigBee技術; 硬件設計; 軟件設計

季延清(1990—),男,研究方向為建筑電氣智能化。

0 引 言

ZigBee技術是基于小型無線網(wǎng)絡而開發(fā)的通信協(xié)議標準,彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺,在智能家居和商業(yè)樓宇自動化方面有較大的應用前景[1]。

本文針對小范圍室內(nèi)工作環(huán)境的溫/濕度實時監(jiān)測需求,采用基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡技術和相應的數(shù)字式溫/濕度傳感器，構建了采集溫/濕度信息的設計平臺,并據(jù)此設計了相應的拓撲結構和軟件。

1 系統(tǒng)總體設計方案

1.1 硬件方案設計

1.1.1 控制器系統(tǒng)結構設計

針對大型建筑物室內(nèi)溫/濕度檢測，設計了無線溫/濕度傳感節(jié)點,并進行組網(wǎng)設計,要求硬件穩(wěn)定、可靠,實時性好，軟件模塊化,易于維護。控制器需要對大型建筑物內(nèi)溫/濕度進行檢測,并進行組網(wǎng)。因此,需要一種強大的微控制器(Micro Controller Unit,MCU)和無線收發(fā)模塊。采用溫/濕度傳感器將建筑物內(nèi)的溫/濕度采集到終端模塊中,通過無線模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器中,再通過串口助手在計算機上顯示,實現(xiàn)控制器系統(tǒng)對溫/濕度的采集、處理、發(fā)送等功能,提高了工作效率。

網(wǎng)關節(jié)點的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強,其連接傳感器網(wǎng)絡與Intemet等外部網(wǎng)絡,實現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉換,同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務,并把收集的數(shù)據(jù)轉發(fā)到外部網(wǎng)絡上。路由節(jié)點既可以是具有增強功能的傳感器節(jié)點,有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計算資源,也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關設備[2-3]。

2.1.2 主控芯片選型

采用片上系統(tǒng)(System On Chip,SOC)可以節(jié)省系統(tǒng)成本,提高系統(tǒng)性能。ZigBee SOC解決方案就是將射頻收發(fā)器與MCU集成在一塊芯片上,其開發(fā)難度遠小于使用兩塊獨立芯片的解決方案。CC2530是高效的SOC CMOS解決方案,結合了包括射頻2.4 GHz收發(fā)器和符合IEEE 802-1 5-4協(xié)議的CC2530射頻芯片以及8051微處理器。TI公司為其提供了完整的開發(fā)和調(diào)試環(huán)境,方便用戶研發(fā)符合需要的ZigBee無線產(chǎn)品。

2.1.3 溫/濕度傳感器選型

DHT11數(shù)字溫/濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫/濕度復合傳感器,應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫/濕度傳感技術,確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性。每個DHT11傳感器都在極精確的濕度校驗室中進行校準,校準系數(shù)以程序的形式存于OTP內(nèi)存中,在檢測型號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口使系統(tǒng)集成變得簡易、快捷。

2.2 控制器軟件方案設計

采取模塊化編程的原則,將每個功能模塊寫成功能庫文件,然后在主程序中調(diào)用各個庫中的函數(shù)，實現(xiàn)所需的功能。在模塊程序的編寫中盡可能將與硬件相關的寄存器、地址等通過宏定義封裝成易讀懂的形式,同時簡化每個完整功能塊的使用。各個庫中與硬件相關的配置放在相應的頭文件中,降低了代碼重復使用的難度,只需對頭文件作相應的修改,即可用于不同的MCU。

ZigBee協(xié)議的層與層之間通過原語進行信息的交換和應答。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務接口。數(shù)據(jù)服務接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務,管理服務接口的目標是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、 配置和管理數(shù)據(jù)的機制。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)是由無線傳感器節(jié)點和網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器組成的網(wǎng)狀無線網(wǎng)絡。采用ZigBee協(xié)議實現(xiàn)設備的無線通信,傳感器節(jié)點負責現(xiàn)場溫/濕度數(shù)據(jù)的采集,將采集到數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器節(jié)點,路由器節(jié)點根據(jù)路由算法選擇最佳通信路徑,通過其他的節(jié)點以多跳的方式將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器通過串口USB和計算機相連,收集整個網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù),并向傳感器節(jié)點發(fā)送命令和參數(shù)設置,實現(xiàn)與終端設備節(jié)點的通信。監(jiān)控人員無須到達現(xiàn)場,在監(jiān)控室通過計算機就可以對建筑物內(nèi)的溫/濕度進行檢測[4-5]。

無線傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理、 無線通信和能量供應4個模塊組成。無線傳感器節(jié)點結構如圖1所示。

圖1 無線傳感器節(jié)點

3.2 主控芯片最小系統(tǒng)設計

節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的基本單元,是實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡功能的基本平臺。在設計中，節(jié)點分為中心節(jié)點和一般節(jié)點兩種類型。

中心節(jié)點由無線傳輸模塊、微處理器、串口、電源組成,接收周圍一般節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳給計算機。根據(jù)計算機發(fā)來的控制指令,對一般節(jié)點進行控制(可選)，獲取與一般節(jié)點之間的距離。

一般節(jié)點由無線傳輸模塊、微處理器、傳感器、電源組成。一般節(jié)點的功能是數(shù)據(jù)采集(由傳感器完成)，獲取與周圍節(jié)點之間的距離;將信息發(fā)送給周圍節(jié)點，轉發(fā)周圍節(jié)點的數(shù)據(jù)。

3.3 電源模塊設計

由于協(xié)調(diào)器與一般設備工作的場合不同,所以采取的供電模式也不相同。本文中協(xié)調(diào)器采用USB 供電,而一般設備則采用可充電鋰電池供電。射頻電路對于電源噪聲很敏感,尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會在每個內(nèi)部時鐘周期內(nèi)短時間突然吸入大部分電流,這是因為微控制器都是采用CMOS工藝制造的。

3.4 按鍵接口電路的設計

按鍵的一端與控制器 I/O 相連,并設置上拉電阻,按鍵的另一端接地。當按鍵沒有按下時,因上拉電阻的原因,I/O 端口檢測到高電平;當按鍵按下時,按鍵導通,I/O 端口的電平被拉低,檢測到低電平,可實現(xiàn)按鍵的掃描。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 軟件總體架構設計

軟件總體架構設計有MCU的時鐘設置模塊、延時模塊、溫/濕度傳感器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、主程序5個功能模塊。

MCU時鐘設置模塊在MCU上電之后,對其系統(tǒng)時鐘做相應的設置,即選擇時鐘源。CC2530 具有內(nèi)置的時鐘發(fā)生器，同時還可以外接兩個時鐘源,將時鐘源按照 MCU外設的需求進行設置。延時模塊包含微秒級別、毫秒級別的延時。因不同的MCU其指令系統(tǒng)不同,相同語句在不同的MCU下也會存在差異,因此將延時模塊劃分在硬件層中。溫/濕度傳感器模塊功能是采集溫/濕度傳感器所測得的溫度、濕度,包括溫/濕度傳感器模塊的初始化、溫/濕度傳感器與MCU數(shù)據(jù)通信以及溫/濕度傳感器內(nèi)部操作等函數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸模塊用于傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，將溫/濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器,再傳到計算機中,便于及時掌握溫/濕度參數(shù)。

4.2 程序設計

軟件設計基于TI公司推出的與CC2530芯片配套的Z-Stack協(xié)議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境。Z-Stack協(xié)議棧運行在基于任務調(diào)度機制的OSAL操作系統(tǒng)上,OSAL通過觸發(fā)任務的事件來實現(xiàn)任務調(diào)度。OSAL 中的任務可以通過任務 API 將其添加到系統(tǒng)中,實現(xiàn)多任務機制。系統(tǒng)中傳感器節(jié)點由 CC2530內(nèi)部的MCU控制,定時向溫/濕度傳感器發(fā)送讀溫度、濕度指令。DHT11完成溫度、濕度轉換后會發(fā)出轉換完成信號,MCU在接收到轉換完成信號后,讀取溫/濕度值,并將這些數(shù)據(jù)信號傳送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過串口RS-232與上位機相連,通過人機交互的方式對整個區(qū)域進行檢測。程序設計分為協(xié)調(diào)器節(jié)點設計、傳感器節(jié)點設計以及節(jié)點通信設計。

5 結 語

本文介紹了基于ZigBee的溫/濕度無線傳感節(jié)點及組網(wǎng)設計,使用CC2530 芯片作為主控制器芯片,提高了系統(tǒng)的工作效率,降低了能耗,使系統(tǒng)能更好地處理各種數(shù)據(jù)。

[1] 李文仲,段朝玉.PIC 單片機與 ZigBee 無線網(wǎng)絡實戰(zhàn)[M].北京：航空航天大學出版社,2007.

[2] 呂強,劉玉華,劉志軍，等.基于ZigBee技術的無線溫濕度檢測終端設計[J].科技技術與工程,2008，23(8)：6321-6253.

[3] 李忱,杜軍,金芳.無線傳感器網(wǎng)絡及其應用[J].儀器儀表用戶,2006，29(22):29-31.

[4] 何希才.實用傳感器接口電路實例[M].北京：中國電力出版社,2007.

[5] 鄭軍.無線傳感器網(wǎng)絡技術[M].北京：機械工業(yè)出版社.2012.

Design of Building Temperature and Moisture Monitoring and Networking Based on ZigBee

JI Yanqing,DONG Feixiang

(School of Electronic & Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

This paper introduced the design of building temperature and moisture monitoring and networking based on ZigBee technology.The overall design scheme,hardware design and software design were analyzed in detail.The sensor collects the temperature and moisture data to the terminal module,and the control system realizes the functions including the collection,treatment and transmitting of temperature and moisture,which improves the work efficiency.

wireless sensor network; ZigBee technology; hardware design; software design

TU 855

B

1674-8417(2016)10-0048-03

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.014

2016-10-08

董飛翔(1993—),男,研究方向為建筑智能化。