聞利群，秦斌偉，，張會新，扈佳林（.中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原0005；.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原0005；.北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京00076）

基于ZigBee和WiFi技術(shù)的室內(nèi)環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

聞利群1，秦斌偉1，2，張會新2，扈佳林3
（1.中北大學(xué) 化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原030051；2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，山西 太原030051；3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京100076）

針對于室內(nèi)環(huán)境安全監(jiān)測的實時、快速、便攜需求，設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)和WiFi技術(shù)相結(jié)合的環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)，使用相應(yīng)的傳感器，選取CC2530芯片和內(nèi)部集成WiFi模塊的CC3200芯片作為處理器，采用串口轉(zhuǎn)換模塊，完成ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)和WiFi協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)向智能手機或筆記本電腦終端的無線傳輸及實時顯示，可以方便的通過無線終端實時監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境，具有很高的應(yīng)用價值。

傳感器；ZigBee；CC2530；串口轉(zhuǎn)換；WiFi；CC3200

隨著科學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)以其低成本、低功耗以及良好的自組網(wǎng)特性和網(wǎng)絡(luò)管理功能，被廣泛應(yīng)用于軍事、智能家居、遠(yuǎn)程監(jiān)測以及遠(yuǎn)程工業(yè)控制等領(lǐng)域[1-3]；而WiFi網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[4-6]則以其便攜，網(wǎng)速快的特性被應(yīng)用于手機、平板電腦等日常電子產(chǎn)品之中，給我們的工作和生活帶來了很大的方便。

近年來，ZigBee技術(shù)在監(jiān)測領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，但ZigBee數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡退俾屎徒K端通信的繁瑣影響著其本身的發(fā)展；而WiFi能夠提高傳輸速率和簡化終端通信。本文基于ZigBee技術(shù)和WiFi技術(shù)，結(jié)合兩者的優(yōu)點針對于實驗室，辦公室以及家里等場所，設(shè)計了一種環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)，通過ZigBee實現(xiàn)對于室內(nèi)溫度、PM2.5以及甲烷氣體濃度數(shù)據(jù)的周期性采集，再通過WiFi技術(shù)將數(shù)據(jù)無線發(fā)送到手機、平板電腦等終端設(shè)備，實現(xiàn)對于室內(nèi)環(huán)境的實時監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)是由多個感知節(jié)點，一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和上位機3部分部分組成。感知節(jié)點主要是利用粉塵傳感器、溫度傳感器和CH4傳感器來對實驗室內(nèi)對PM2.5、溫度值和CH4的濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點的功能主要分為3部分，一是建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)和接收傳感器節(jié)點發(fā)送的的數(shù)據(jù)；二是實現(xiàn)ZigBee協(xié)議和Wi-Fi協(xié)議的轉(zhuǎn)換；三是將采集的的數(shù)據(jù)無線發(fā)送給筆記本上位機或手機移動終端。上位機主要功能是動態(tài)地管理整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)和訪問無線傳感網(wǎng)絡(luò)資源，可以是具有無線接收功能的筆記本電腦或智能手機。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)工作的時候，傳感器節(jié)點加入?yún)f(xié)調(diào)器組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，周期性地采集環(huán)境中PM2.5值、CH4濃度和溫度值的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送出去，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)ZigBee協(xié)議和WiFi協(xié)議的轉(zhuǎn)換，通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給筆記本或智能手機，由筆記本或手機終端軟件顯示數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 感知節(jié)點無線收發(fā)模塊的設(shè)計

感知節(jié)點主要由傳感器采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、電源模塊、天線和LED5部分組成。其中，傳感器模塊主要利用甲烷氣體傳感器、粉塵傳感器和溫度傳感器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集并完成數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理模塊采用CC2530芯片作為核心處理器；LED部分是來表示節(jié)點是否加入或退出網(wǎng)絡(luò)；天線用于無線發(fā)送數(shù)據(jù)信息為降低功耗。感知節(jié)點功能結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

感知節(jié)點的核心處理器選用TI公司的CC2530芯片[7]，該款芯片工作頻率為2.4 GHz，集微處理器模塊和無線收發(fā)模塊于一體，具有成本低、高性能和功耗低的特點，專門用于IEEE 802.15.4對等網(wǎng)絡(luò)、星型網(wǎng)絡(luò)或ZigBee PRO網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，是目前眾多ZigBee設(shè)備產(chǎn)品中表現(xiàn)最為出眾的微處理器之一。CC2530有16個信道可供選擇，完美支持z-stack 2007 Pro協(xié)議棧，具有多種模式選擇，并且體積小、外設(shè)接口豐富。完全符合設(shè)計需求[8]。

圖2感知節(jié)點功能結(jié)構(gòu)框圖

CC2530自身帶有射頻的功能，所以一般經(jīng)行小功率網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的系統(tǒng)設(shè)計也不需要額外添加射頻芯片，CC2530外加一些簡單電路即可實現(xiàn)射頻功能，如圖3所示。

協(xié)調(diào)器節(jié)點和傳感器節(jié)點之間的互相通信是依靠天線收發(fā)實現(xiàn)的，天線一般都具有可逆性，既可以接收也可以發(fā)送。其中，晶振電路部分分別由1個晶振和2個負(fù)載電容組成，給主芯片CC2530的正常工作提供穩(wěn)定的時鐘信號。用電感、電容相連構(gòu)成一個同軸天線，由單片機的管腳RF_P和RF_N輸出。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點（即網(wǎng)關(guān)節(jié)點）是設(shè)計系統(tǒng)的核心模塊，本模塊采用簡單的串口連接的方式將ZigBee模塊和WiFi模塊進(jìn)行互聯(lián)。協(xié)調(diào)器節(jié)點主要包括：CC2530數(shù)據(jù)處理模塊、串口轉(zhuǎn)換模塊，CC3200 WiFi數(shù)據(jù)處理模塊，天線、電源模塊、LED部分等。CC2530部分主要負(fù)責(zé)控制節(jié)點的處理操作、任務(wù)管理等。串口轉(zhuǎn)換模塊主要實現(xiàn) zigbee模塊和WiFi模塊串口的互連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議的轉(zhuǎn)換[9]。CC3200部分主要實現(xiàn)將WiFi協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送給筆記本上位機或其他移動終端設(shè)備。天線部分主要用于接收數(shù)據(jù)信息。LED部分用來指示網(wǎng)絡(luò)的連接情況，LED亮說明協(xié)調(diào)器自組ZigBee網(wǎng)絡(luò)成功。CC3200由于內(nèi)部集成DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器，故無需再使用電源轉(zhuǎn)換模塊。協(xié)調(diào)器節(jié)點功能結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2.2.1 WiFi模塊設(shè)計

系統(tǒng)WiFi模塊數(shù)據(jù)處理芯片采用TI公司的CC3200芯片[10]，CC3200是業(yè)界第一款具有內(nèi)置Wi-Fi功能，并集成了高性能ARM Cortex-M4內(nèi)核的無線MCU，使用戶可以實現(xiàn)單芯片Wi-Fi通信開發(fā)，具有集成度高，功耗低等優(yōu)點；其內(nèi)部集成微處理器子系統(tǒng)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理子系統(tǒng)、電源管理子系統(tǒng)。微處理器子系統(tǒng)內(nèi)部集成了一款運行速率可達(dá)80 MHz的Cortex-M4 ARM內(nèi)核，完全面對用戶使用，還包含豐富的外設(shè)資源；Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)內(nèi)部包含一個ROM用于存儲WiFi及互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，節(jié)省專用ARM微處理器工作負(fù)擔(dān)，能夠更好的為應(yīng)用微處理器服務(wù)；電源管理系統(tǒng)采用集成的DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器，支持寬范圍的供電電壓（2.1～3.6 V）。

圖3 CC2530外圍電路設(shè)計

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

CC3200 WiFi模塊可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，下發(fā)無線控制指令，實現(xiàn)了手機，筆記本電腦遠(yuǎn)程智能化管理。CC3200模塊部分外圍電路如圖5所示。

圖5 CC3200部分外圍電路

CC3200內(nèi)部沒有集成的ROM，所以選取W25Q8B LSNIG芯片串行SPI接口ROM，用于CC3200的運行程序的存儲。上電后，CC3200首先從外部SPI接口ROM讀取運行程序，進(jìn)行內(nèi)部寄存器配置。WiFi無線通信天線采用小尺寸PCB天線和外接高增益天線的雙天線設(shè)計結(jié)構(gòu)。信號RF_BG為CC3200的無線信號的輸入輸出引腳，它將調(diào)制好的載波信號，經(jīng)過阻抗值為50 Ω的定值PCB布線后，輸出到帶通濾波器DEA202450RT中，濾波后通過天線發(fā)送出去。其中接插件MM8030為RF連接器，用于連接外界的高增益天線，當(dāng)有高增益天線存在時，高增益天線作為電路的有效天線，小尺寸PCB天線將不工作；否則，小尺寸PCB天線為電路無線通信的有效天線。

2.2.2 串口轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計

串口轉(zhuǎn)換模塊主要實現(xiàn) ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)向WiFi協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)這里使用串口連接方式，通過RS422接口把ZigBee模塊（CC2530模塊）與WiFi模塊（CC3200模塊）進(jìn)行互聯(lián)，實現(xiàn)協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

ZigBee與RS422的轉(zhuǎn)換主要是通過ZigBee模塊將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為UART數(shù)據(jù)，再通過RS422接口將數(shù)據(jù)傳給WiFi模塊，最終通過WiFi空中協(xié)議發(fā)送至智能終端；反之，也可將終端下發(fā)的WiFi協(xié)議指令信號轉(zhuǎn)化為ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送至感知節(jié)點終端。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)利用星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[11-13]建立的一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)，將傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過Zigbee協(xié)議傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC終端顯示。其中，感知節(jié)點主要工作是利用傳感器進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的采集；協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護，接收監(jiān)測區(qū)域的CO、CH4氣體濃度及氣體煙霧濃度，再將收到的數(shù)據(jù)通過CC3200串口轉(zhuǎn)WiFi模塊轉(zhuǎn)化為WiFi協(xié)議數(shù)據(jù)，經(jīng)WiFi模塊無線發(fā)送給筆記本或智能手機終端來顯示。

3.1 感知節(jié)點軟件設(shè)計

感知節(jié)點負(fù)責(zé)操控甲烷傳感器、溫度傳感器及粉塵傳感器對當(dāng)前環(huán)境的CH4、溫度及PM2.5值數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，加入網(wǎng)絡(luò)后，將所測得的數(shù)據(jù)周期性的發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。周期性的發(fā)送數(shù)據(jù)需要用到ZigBee協(xié)議棧里的一個定時函數(shù)osal_start_timerEx（），該函數(shù)可以實現(xiàn)毫秒級的定時，定時時間達(dá)到后發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器節(jié)點，再定時一段時間，定時時間到達(dá)后再發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣實現(xiàn)周期性地工作。具體流程如圖6所示。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點主要完成上位機和感知節(jié)點模塊的透明傳輸，也負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)工作，組建新的網(wǎng)絡(luò)，然后允許感知節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)并接受它們傳來地數(shù)據(jù)，接著經(jīng)串口轉(zhuǎn)換模將zigbee協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為WiFi協(xié)議數(shù)據(jù)，再經(jīng)WiFi模塊將WiFi協(xié)議數(shù)據(jù)無線發(fā)送給筆記本終端或移動手機終端。具體工作流程如圖7所示。

圖6 感知節(jié)點工作流程圖

圖7 協(xié)調(diào)器節(jié)點工作流程圖

4 測試結(jié)果

系統(tǒng)測試了一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和3個感知節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸以及對于監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時顯示。將編輯好的程序分別下載到感知節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的處理器，再對感知節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點上電，等LED燈都亮了 （即ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立成功并允許其它節(jié)點加入）之后，將感知節(jié)點放置于協(xié)調(diào)器節(jié)點周邊10 m左右的距離，打開調(diào)試助手，將波特率改為與程序相對應(yīng)的波特率，打開上位機，可以監(jiān)測到室內(nèi)環(huán)境相應(yīng)的數(shù)據(jù)及室內(nèi)不同地方數(shù)據(jù)變化曲線圖，圖8為節(jié)點上電后，室內(nèi)環(huán)境相應(yīng)數(shù)據(jù)的顯示界面，可以看到室內(nèi)不同節(jié)點存在些許差距，當(dāng)用手觸碰感知節(jié)點2的溫度傳感器時，上位機顯示節(jié)點2的溫度數(shù)據(jù)立馬上升。

圖8 上電后，上位機顯示界面

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的環(huán)境安全監(jiān)測系統(tǒng)是基于ZigBee技術(shù)和WiFi技術(shù)，采用CC2530芯片實現(xiàn)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用串口轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，再經(jīng)CC3200芯片的WiFi模塊實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線透明傳輸，完成了對環(huán)境中的溫度、PM2.5以及瓦斯數(shù)據(jù)的無線監(jiān)測，為遠(yuǎn)程監(jiān)測環(huán)境的實現(xiàn)提供了全新的途徑。經(jīng)過對系統(tǒng)的測試分析，該監(jiān)測系統(tǒng)使用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和無線WiFi技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，簡單易實現(xiàn)；采集數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的傳輸過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)無誤，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代智能家居、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測和遠(yuǎn)程工業(yè)控制等領(lǐng)域[15]中。

[1]李存德，馬長寶.基于ZigBee的無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計[J].自動化與儀器儀表，2014，176（6）：55-57.

[2]劉傳清，劉化君.無線傳感網(wǎng)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[3]劉晟.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用分析[J].河南科技，2015（11）：240-241.

[4]李曉陽.WiFi技術(shù)及其應(yīng)用與發(fā)展[J].信息技術(shù)，2012，3（2）：196-198.

[5]馬欽龍.家庭無線網(wǎng)絡(luò)中WiFi技術(shù)的應(yīng)用分析[J].信息系統(tǒng)工程，2012（6）：92-93.

[6]張?zhí)毂?WiFi技術(shù)的應(yīng)用與展望[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014，3（13）：98-99.

[7]徐建，楊姍姍.基于CC2530的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012（5）：55-57.

[8]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用設(shè)計[J].電子工程設(shè)計，2011，16（19）：108-111.

[9]胥嘉佳，許鳴.基于網(wǎng)關(guān)的ZigBee和WiFi互通設(shè)計[J].電子科技，2014，27（6）：22-25.

[10]林婷.面向WiFi開發(fā)的微控制器CC3200的應(yīng)用研究[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2015.

[11]許毅.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理及方法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[12]錢志鴻，王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報，2013，35（1）：16-227.

[13]尚興宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2013.

[14]趙旭強，高天星，馬忠梅.CC3200與 Android的跌倒檢測系統(tǒng)上位機設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016（2）：32-35.

[15]司海飛，楊忠，王珺.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].機電工程，2011，28（1）：16-20.

Design of safety monitoring system of indoor environment based on Zigbee and Wifi technology

WEN Li-qun1，QIN Bin-wei1，2，ZHANG Hui-xin2，HU Jia-lin3
（1.Academy of Chemical and Enviroment Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.National Defense Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Beijing Institute of Aerospace Systems Engineering，Beijing 100076，China）

Being aimed at the real-time，fast and portable needs of indoor safety monitoring， a new kind of safety monitoring systems of indoor environment based on zigbee and wifi technology is designed. It makes use of some proper sensors to achieve the collecting of data.The chip of CC2530 and the chip of CC3200 are choosen as the processors.Using serial converter module complete the transformation of ZigBee protocol data and WiFi protocol data.The wireless transmission and real-time display on terminal of collection data to smartphones or laptop are accomplished.It allows us to use wireless terminals to achieve real-time monitoring of indoor environment and has a high application value.

Sensors；ZigBee；CC2530；serial converter；WiFi；CC3200

TN929

A

1674－6236（2017）07-0078-05

2016-06-30稿件編號：201606236

國家自然科學(xué)基金（51425505）

聞利群（1970—），女，北京人，博士，教授。研究方向：電子設(shè)備熱防護以及安全監(jiān)測及測試。