劉培學(xué)++陳玉杰++姜寶華++劉樹(shù)美

摘 要： 針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線復(fù)雜且監(jiān)測(cè)點(diǎn)不易移動(dòng)、數(shù)據(jù)傳輸速率慢等多種問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee協(xié)議的可組網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用SHT11傳感器采集環(huán)境溫濕度信息，基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞采集的信息，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)傳到監(jiān)控中心存儲(chǔ)記錄，介紹了系統(tǒng)的整體構(gòu)成，對(duì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)、軟件設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)矯正等做了詳細(xì)的分析，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地完成采集并具有較小的誤差，適合實(shí)驗(yàn)室、檔案室、食品儲(chǔ)存、冷鏈環(huán)境等多種場(chǎng)合，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 環(huán)境監(jiān)測(cè)； ZigBee； 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳； 組網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）21?0019?04

Design of networking environment monitoring system based on ZigBee technology

LIU Peixue1， 2， CHEN Yujie1， JIANG Baohua1， LIU Shumei1

（1. Qingdao Huanghai College， Qingdao 266427， China； 2. China University of Petroleum， Qingdao 266580， China）

Abstract： The traditional environmental monitoring system has the problems of complex wiring and low data transmission rate， and its monitoring points are difficult to move， so a networking environment monitoring system based on ZigBee protocol is designed. The environmental temperature and humidity information is collected by SHT11 sensor， transmitted through ZigBee network， and sent to the monitoring center via 4G network for storage and recording. The whole composition of the system is introduced. The coordinator， terminal node， software design and data correction of the system are analyzed in detail. The system was tested strictly. The test results show that the system can accurately acquire the information with small error， is suitable for the occasions of laboratory， archive room， food storage and cold chain environments， and has wide application prospect.

Keywords： environmental monitoring； ZigBee； remote data transmission； networking

0 引 言

2016年3月，山東爆發(fā)了非法疫苗案，涉案總價(jià)值達(dá)到5.7億元，疫苗沒(méi)有經(jīng)過(guò)冷鏈存儲(chǔ)便銷(xiāo)往全國(guó)各地，引起了社會(huì)極大的反響。早在 2013年，國(guó)家就根據(jù)《藥品經(jīng)營(yíng)質(zhì)量管理規(guī)范》及《藥品經(jīng)營(yíng)質(zhì)量管理規(guī)范實(shí)施細(xì)則》制定了GSP認(rèn)證要求，其中明確規(guī)定必須對(duì)藥品存儲(chǔ)環(huán)境進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。環(huán)境是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的參數(shù)，食品藥品的倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸、溫室農(nóng)業(yè)大棚及畜牧養(yǎng)殖、檔案室、資料室等都對(duì)環(huán)境有著特殊的要求，尤其是工業(yè)生產(chǎn)中的精密儀器，如果環(huán)境參數(shù)不合適，將會(huì)極大影響設(shè)備的使用壽命。隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)居住環(huán)境的要求也越來(lái)越高，因此，對(duì)環(huán)境的測(cè)量監(jiān)控具有十分重要的意義[1]。

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要存在著兩大缺點(diǎn)：一是傳感器采用的是模擬傳感器，要得到控制器需要的數(shù)字信號(hào)需經(jīng)過(guò)復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，且通常情況下模擬傳感器需要校準(zhǔn)、標(biāo)定，過(guò)程繁瑣；二是檢測(cè)方式大多為有線檢測(cè)，布線復(fù)雜且監(jiān)測(cè)點(diǎn)不易移動(dòng)，同時(shí)，大部分測(cè)量數(shù)據(jù)只能在本地觀測(cè)存儲(chǔ)，浪費(fèi)了大量的人力物力。文獻(xiàn)[2]利用FPGA及傳感器SHT21設(shè)計(jì)了一種環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)反應(yīng)迅速、精度高，但是該系統(tǒng)電路較復(fù)雜；文獻(xiàn)[3]利用nRF905射頻收發(fā)芯片，結(jié)合DS18B20溫度傳感器及HS1101設(shè)計(jì)了一種無(wú)線環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)采集信息的無(wú)線傳輸，與PC機(jī)通信采用232方式，但該系統(tǒng)測(cè)量精度不高且監(jiān)測(cè)點(diǎn)不易移動(dòng)；文獻(xiàn)[4]基于ARM控制器及ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提出一種很好的環(huán)境溫濕度PID控制方式，但是該系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能夠遠(yuǎn)傳；文獻(xiàn)[5]基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)及GPRS傳輸設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自組織路由及遠(yuǎn)程傳輸，但是GPRS存在傳輸速率較慢、誤碼率較高等缺點(diǎn)?？傮w而言，目前國(guó)內(nèi)外很多環(huán)境信息采集系統(tǒng)已經(jīng)可以采用GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，少部分研究成果采用3G技術(shù)，由于4G牌照剛剛頒發(fā)，所以采用4G技術(shù)的遠(yuǎn)程傳輸目前還沒(méi)有相關(guān)研究報(bào)道，ZigBee網(wǎng)絡(luò)在本地環(huán)境數(shù)據(jù)采集中已經(jīng)證明了其高效性。目前尚未見(jiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與4G傳輸相結(jié)合應(yīng)用到環(huán)境信息采集的報(bào)道。隨著ZigBee技術(shù)、4G技術(shù)、傳感器技術(shù)等各種技術(shù)的發(fā)展成熟，實(shí)現(xiàn)整個(gè)環(huán)境信息采集的信息化及自動(dòng)化，必然是下一步的發(fā)展趨勢(shì)。本文正是基于上述系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)及4G技術(shù)、ZigBee技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出設(shè)計(jì)一種高速、可遠(yuǎn)傳、自組織路由環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)。endprint

1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由服務(wù)器、協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)三部分組成。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)環(huán)境信息的采集并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)信息的接收并通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器，服務(wù)器完成信息的云端接收、存儲(chǔ)，同時(shí)服務(wù)器可向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令。終端節(jié)點(diǎn)采集到環(huán)境信息后首先將信息打包成ZigBee協(xié)議包，隨后以多跳通信的方式將協(xié)議包傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到協(xié)議包后需發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息給終端，雙方完成握手以保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，如果終端節(jié)點(diǎn)收不到確認(rèn)信息，則終端節(jié)點(diǎn)會(huì)重新發(fā)送協(xié)議包。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)又被稱作RFD節(jié)點(diǎn)（Reduce Function Device），本次設(shè)計(jì)主要完成環(huán)境溫濕度信息的采集、處理、傳送工作。終端節(jié)點(diǎn)包含有ZigBee模塊和傳感器，本次設(shè)計(jì)中，ZigBee模塊采用CC2530，傳感器使用數(shù)字傳感器SHT11。CC2530是TI公司的第二代片上系統(tǒng)[6]，CC2530支持2.4 GHz IEEE 802.15.4，硬件包含ZigBee RF收發(fā)機(jī)及一個(gè)增強(qiáng)的51MCU，在接收、發(fā)射過(guò)程中電流極低，因此，電池能保證使用較長(zhǎng)時(shí)間。較之第一代產(chǎn)品，CC2530在RF性能、IR電路等各個(gè)方面表現(xiàn)更好。SHT11芯片采用CMOSen技術(shù)，體積較小，在芯片內(nèi)部包含了信號(hào)放大電路、信號(hào)調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路及接口電路，輸出數(shù)據(jù)格式為T(mén)TL電平，可由微控制器直接采集，SHT11響應(yīng)速度極快，抗干擾能力較強(qiáng)，SHT11分辨率最高溫度為14位，相對(duì)濕度為12位，精度通過(guò)寄存器可以進(jìn)行配置，降低精度，可對(duì)-40～123.8 ℃溫度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的原理為首先由傳感器測(cè)量環(huán)境數(shù)據(jù)，測(cè)量的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果通過(guò)接口電路以二線制方式輸出。

圖2為CC2530與傳感器連接圖，從圖中可以看出，SHT11傳感器的第3腳時(shí)鐘端與控制器CC2530的P1.4引腳相連，傳感器的第2腳與控制器CC2530的P1.5相連，SHT11電源和地之間并聯(lián)一個(gè)0.1 μF的電容，SCK引腳上接一10 kΩ的上拉電阻。

2.2 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)又稱為FFD節(jié)點(diǎn)（Full Function Device），主要負(fù)責(zé)RFD節(jié)點(diǎn)信息的采集、匯總、信息顯示、上報(bào)及服務(wù)器信息的下發(fā)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由CC2530控制器、4G模塊、存儲(chǔ)器、顯示、時(shí)鐘等模塊組成。協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

CC2530作為整個(gè)協(xié)調(diào)器的控制芯片，4G模塊負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)器與服務(wù)器的信息遠(yuǎn)程通信，在本次設(shè)計(jì)中4G模塊采用沃興科技出產(chǎn)的LM114A，該模塊采用Mini PCI?E接口，采用業(yè)界領(lǐng)先的Qualcomm 9X15平臺(tái)，支持4G時(shí)分雙工Band38，Band39，Band40及頻分雙工Band7，同時(shí)兼容TD?SCDMA，以及GSM：900/1 800 MHz，最大理論上下行數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到100/50 Mb/s，LM114A模塊開(kāi)發(fā)方式靈活、接口豐富，可通過(guò)USB 2.0，UART，I2C，I2S和SPI等方式與主機(jī)相連，內(nèi)置TCP/IP和UDP/IP協(xié)議棧，靈活性強(qiáng)，易于集成。LM114A是一款工業(yè)級(jí)芯片，可在高溫高濕、電磁干擾等惡劣的工作環(huán)境中長(zhǎng)期工作，能夠滿足本次設(shè)計(jì)需要。同時(shí)，本次設(shè)計(jì)中，信息除上報(bào)服務(wù)器外，還需要本地顯示，因此，采用LCD12864作為顯示器，利用ATMEL公司的24C02作為信息暫時(shí)存儲(chǔ)芯片，利用DS1302作為時(shí)鐘芯片。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)結(jié)合4G技術(shù)、ZigBee技術(shù)，能夠完成對(duì)環(huán)境信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控傳輸?shù)纫幌盗泄δ?，系統(tǒng)軟件根據(jù)硬件設(shè)計(jì)分為終端節(jié)點(diǎn)軟件、協(xié)調(diào)器軟件及上位機(jī)軟件。

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)環(huán)境信息的采集及上報(bào)，環(huán)境信息的感知主要由SHT11來(lái)完成，SHT11時(shí)序圖如圖4所示，采集開(kāi)始時(shí)，首先必須由主機(jī)發(fā)送啟動(dòng)命令，具體操作方法為：主機(jī)將SCK引腳置為高，數(shù)據(jù)引腳DATA由高置低，隨后，主機(jī)將SCK引腳置為低，數(shù)據(jù)引腳DATA由低置高。啟動(dòng)命令發(fā)送完成后，主機(jī)發(fā)送控制命令，包含3個(gè)地址位和5個(gè)命令位，如果SHT11接收命令正確，SHT11會(huì)在第8個(gè)時(shí)鐘之后，將數(shù)據(jù)位拉低，此時(shí)，SHT11可以傳送溫濕度信息。終端節(jié)點(diǎn)軟件整體流程如圖5所示，如果SHT11將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，CC2530就會(huì)采集數(shù)據(jù)，如果定時(shí)時(shí)間到或者協(xié)調(diào)器有命令需要進(jìn)行數(shù)據(jù)上報(bào)，終端節(jié)點(diǎn)就上報(bào)數(shù)據(jù)。

3.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器橋接了上位機(jī)及ZigBee局域網(wǎng)，一方面，協(xié)調(diào)器接收上位機(jī)的命令進(jìn)行處理，另一方面接收Z(yǔ)igBee局域網(wǎng)上傳的溫濕度信息，協(xié)調(diào)器工作流程如圖6所示。

系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，初始化主要包含顯示初始化、串口初始化、1302初始化及中斷初始化等，顯示初始化主要是LCD12864的初始化，包含清屏、光標(biāo)顯示方式等一系列指令，串口初始化主要是串口波特率的設(shè)置，通過(guò)配置定時(shí)計(jì)數(shù)器的溢出速率來(lái)完成，1302初始化主要完成時(shí)鐘的初始配置，中斷初始化主要完成定時(shí)中斷、串口中斷的配置。初始化完成后，系統(tǒng)循環(huán)檢測(cè)是否收到無(wú)線節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，在校驗(yàn)正確的情況下進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)，如果參數(shù)超標(biāo)則進(jìn)行報(bào)警。當(dāng)有中斷發(fā)生時(shí)，如果是串口中斷，則為上位機(jī)發(fā)來(lái)的命令，協(xié)調(diào)器解析并執(zhí)行；如果是上報(bào)指令，則協(xié)調(diào)器將暫時(shí)存儲(chǔ)的信息通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)上報(bào)到服務(wù)器；如果是定時(shí)中斷，則定時(shí)時(shí)間到，協(xié)調(diào)器也需要通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)發(fā)送采集的信息。需要注意的是，由于傳感器的非線性及溫度對(duì)采集結(jié)果的影響，必須對(duì)采集的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正[7]，其中濕度數(shù)據(jù)必須進(jìn)行非線性校正及溫度補(bǔ)償，非線性校正公式如下：

[RHlinear=C1+C2×SORH+C3×SO2RH（%RH）] （1）endprint

式中：進(jìn)行非線性補(bǔ)償后的值為[RHlinear]；SHT11工作手冊(cè)給定了[C1，C2，C3]的選取方法；[SORH]為終端節(jié)點(diǎn)從傳感器讀來(lái)的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)非線性校正后，由于實(shí)際溫度與測(cè)試參考溫度25 ℃有顯著差別，應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度修正。溫度修正計(jì)算公式為：

[RHtrue=（T-25）×（T1+T2×SORH）+RHlinear] （2）

式中：[RHtrue]為最終計(jì)算出的相對(duì)濕度值；[T]為實(shí)際當(dāng)前溫度值；[T1，T2]的具體數(shù)值由SHT11芯片手冊(cè)給出。SHT11測(cè)量的溫度值修正公式為：

[T=D1+D2×SOT] （3）

式中：[T]為實(shí)際溫度值；[SOT]是SHT11輸出的溫度值，SHT11工作手冊(cè)給出了[D1，D2]如何選取。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本文系統(tǒng)進(jìn)行了兩方面測(cè)試：環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)偏差測(cè)試及通信成功率測(cè)試。

4.1 數(shù)據(jù)偏差測(cè)試

數(shù)據(jù)偏差測(cè)試由專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)華測(cè)檢測(cè)技術(shù)股份有限公司給出，測(cè)試報(bào)告如圖7，圖8所示。使用的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具為C?180/40恒溫恒濕箱及精密露點(diǎn)儀，本次測(cè)試包含1個(gè)協(xié)調(diào)器及2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，從測(cè)試報(bào)告可以看出，溫度示值誤差集中在0.1 ℃及0.2 ℃之間，最高不超過(guò)0.4 ℃，在20 ℃情況下，濕度示值誤差在3%RH左右，數(shù)據(jù)具有較高的一致性，完全滿足倉(cāng)儲(chǔ)等環(huán)境監(jiān)測(cè)需要。

4.2 通信成功率測(cè)試

設(shè)備的通信可靠性利用通信成功率來(lái)衡量，通信成功率定義為：

[η=mn?T1T2×100%] （4）

式中：[m]表示接收數(shù)據(jù)的次數(shù)；[n]表示實(shí)際傳輸次數(shù)；[T1]表示發(fā)送數(shù)據(jù)間隔；[T2]表示實(shí)際存儲(chǔ)記錄時(shí)間間隔。

在沒(méi)有中繼器情況下，將設(shè)備分別在空曠地帶、冷庫(kù)、移動(dòng)汽車(chē)三種情況下進(jìn)行測(cè)試，終端節(jié)點(diǎn)到協(xié)調(diào)器的距離分別為20 m，50 m，100 m，150 m，200 m，進(jìn)行5組測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

從圖9中的數(shù)據(jù)可以看出，在通信距離不超過(guò)100 m的情況下，三種環(huán)境的通信成功率均為100%，隨著通信距離的增加，冷庫(kù)環(huán)境的復(fù)雜性及車(chē)輛的移動(dòng)開(kāi)始影響通信成功率，但在200 m距離情況下，通信成功率仍在92%以上，具有較好的抗干擾性。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于4G技術(shù)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種環(huán)境溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了環(huán)境信息的無(wú)線采集，系統(tǒng)完全滿足國(guó)家GSP認(rèn)證要求且成本低廉，無(wú)線傳輸無(wú)需復(fù)雜布線，大大提高了效率，同時(shí)，該系統(tǒng)可以很方便地與其他上位機(jī)系統(tǒng)或BS架構(gòu)的Web系統(tǒng)集成[8]，適合各類(lèi)需要監(jiān)測(cè)環(huán)境信息的場(chǎng)合如食品藥品存儲(chǔ)、機(jī)房數(shù)據(jù)中心、自動(dòng)化大棚等使用，該系統(tǒng)必將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

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