魏忠鑫

【摘要】 環(huán)境檢測系統(tǒng)主要由傳感檢測網絡、網關、服務器以及終端應用組成。傳感檢測網絡基于ZigBee協(xié)議，由分布于各個待檢測區(qū)域的環(huán)境檢測節(jié)點組成。傳感器節(jié)點分為父節(jié)點和子節(jié)點，上電后父節(jié)點建立的網絡，子節(jié)點加入網絡。經測試，子節(jié)點可向父節(jié)點周期性地上傳環(huán)境數據。用戶通過手機或平板電腦接入移動網絡隨時掌握被測網絡的環(huán)境信息，本文通過ZigBee環(huán)境檢測系統(tǒng)在實際工作的應用進行探討，提出解決方式。

【關鍵詞】 環(huán)境檢測 傳感器網絡 ZigBee

一、引言

隨著社會與經濟的發(fā)展，我國工業(yè)化程度逐漸提高，使得環(huán)境檢測與控制的應用需求越來越大。比如，農業(yè)生產、工業(yè)制造、環(huán)境保護、室內居住等等。科學技術的發(fā)展，也不斷地改變著環(huán)境檢測的技術，使環(huán)境檢測變得數字化、系統(tǒng)化、智能化。目前的環(huán)境檢測技術，運用高精度，低誤差的傳感器網絡，將環(huán)境參數變?yōu)閿底中盘?，再送入主控器分析和處理，然后智能化控制進行進一步的操作，比如報警、降溫、開窗、語音播報等操作。

本文提出一種基于MSP430F5418和CC1120的嵌入式遠程環(huán)境檢測系統(tǒng)的方案，實時檢測當前傳感器網絡節(jié)點下的溫度、濕度、光強度信息，并可進行語音播報。該設計可應用于大棚種植的環(huán)境監(jiān)控、室內居住環(huán)境的檢測、森林火災預警、城市環(huán)境動態(tài)監(jiān)控等。

二、系統(tǒng)結構

智能環(huán)境檢測系統(tǒng)結構如圖1所示，主要由傳感檢測網絡、網關、服務器和終端應用組成。傳感檢測網絡基于ZigBee協(xié)議，由分布于各個待檢測區(qū)域的環(huán)境檢測節(jié)點組成。每個檢測儀節(jié)點由信息采集模塊、MSP430F5418控制模塊、語音播報模塊、人機交互模塊，CC1120無線模塊組成。網關完成ZigBee網絡與互聯(lián)網的對接。而服務器則負責接收來自于傳感檢測網絡發(fā)送的環(huán)境數據，并進行分析，存儲，處理指令等操作，終端應用設計為手機安卓程序，可以查詢權限范圍內節(jié)點的環(huán)境信息和遠程發(fā)送升溫，除濕等指令。

2.1 傳感器節(jié)點設計

傳感器網絡節(jié)點系統(tǒng)框圖如圖2所示，主控芯片MSP430F5418分別與信息采集模塊、按鍵液晶模塊、語音模塊、CC1120模塊連接。每個節(jié)點都具有人機交互和語音播報功能。MSP430F5418上電后在不工作時處于低功耗模式，僅通過中斷喚醒芯片處理事務，以達到節(jié)能目的。傳感器節(jié)點由父節(jié)點和子節(jié)點組成，父節(jié)點建立網絡，子節(jié)點通過掃描網絡加入父節(jié)點建立的網絡。子節(jié)點在網內時將周期性地向父節(jié)點上傳溫度，光強度以及濕度數據。子節(jié)點與父節(jié)點都具有掉網重連功能。

2.1.1 信息采集模塊

信息采集模塊如圖3所示，由溫度采集電路，濕度采集電路和光強度采集電路組成，完成環(huán)境參數采集的功能。在溫度采集電路中，選用DS18B20數字式溫度傳感器測量溫度，該傳感器精度高，反應靈敏，且與MSP430F5418連接簡單。MSP430F5418通過時序讀寫控制，讀出DS18B20當前采集的溫度。濕度與光強度采集均選用電阻式傳感器，傳感器將濕度與光照信號轉化為電壓信號，通過模數轉換及運算后變?yōu)閿底中盘?。在濕度采集電路中，電阻式濕度傳感器型號為CHR_01。

2.1.2 信息顯示與語音播報

信息顯示與語音播報模塊由按鍵液晶模塊與ISD4004語音模塊構成。液晶屏顯示環(huán)境信息和按鍵的操作提示，操作者通過按鍵控制語音播報等功能。語音芯片通過SPI接口與主控單片機MSP430F5418通信，由于芯片的通信協(xié)議SS管腳并未完全符合標準四線SPI協(xié)議，因此，程序設計時采用三線SPI模式同時模擬控制SS管腳的電平變化。該語音芯片可錄放8至16分鐘語音，3V 單電源工作，采用CMOS 技術，內含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。

2.2 通信設計

本系統(tǒng)通信包括傳感器節(jié)點之間的通信、ZigBee網絡與服務器的通信、服務器和終端應用間的通信。網關完成ZigBee網絡與互聯(lián)網間的轉換，使父節(jié)點和子節(jié)點的環(huán)境數據上傳至服務器。服務器和終端應用通過互聯(lián)網進行數據傳輸。傳感器節(jié)點間的無線通信模塊選用TI公司生產的CC1120 ，其與MSP430F5418的通信方式和語音芯片ISD4004相同，均用三線SPI并模擬CSn管進行通信。經過該通信過程 服務器由一臺遠程電腦擔任，不僅需要負責記錄從傳感器網絡傳回的數據，還需要回應應用端的數據請求。終端應用設計為Android程序，用戶通過手機或平板電腦接入移動網絡隨時掌握被測網絡的環(huán)境信息。

三、軟件設計

環(huán)境檢測系統(tǒng)軟件介紹傳感器網絡節(jié)點的程序設計。傳感器節(jié)點主程序流程圖如圖5所示，MSP430F5418上電后初始化射頻、語音芯片和顯示屏等模塊。接著開啟傳感器獲取環(huán)境信息的中斷，再運行ZigBee網絡的相關程序，通過ZigBee網絡和網關轉換將環(huán)境信息上傳至服務器上。

3.1 數據采集處理

傳感器采集的溫度，濕度和光強度信息存在一定的波動，對采集到的數據進行再處理使環(huán)境信息變得更穩(wěn)定，提高其可讀性。傳感器溫度處理程序流程圖，在定時器中斷中，通過DS18B20讀取一次溫度數據，選取最近讀取的20次溫度數據，首先溫度數據進行去噪濾波，再對剩余的溫度數據求平均值。所得的均值即視為當前溫度值。

濕度信息在濕度AD中斷函數中處理。濕敏電阻將環(huán)境的濕度信息轉換為電壓信號，由MSP430F5418通過AD采樣讀取該值。每一次AD采樣后，先判斷與前一次處理后的濕度數據的差異，若差異高于一個門限值，則判定為出錯數據，舍棄。若判定為正確濕度信息，則對最近5次判斷的濕度信息求平均，該平均值被認定為當前環(huán)境的濕度值。

光強度的采集和濕度采集相似，通過光敏電阻將光強信號轉變?yōu)殡娦盘?，再由MSP430F5418經AD采樣并處理后得出光強信息。不同的是，光強信息的變化率比溫度和濕度大，采樣所得的信息不超過最大光強閾值都被判定為當前光強度值，提高了反應靈敏度，但減小了穩(wěn)定度。

3.2 傳感器網絡設計

傳感器網絡采用ZigBee網絡技術，將節(jié)點分為父節(jié)點和子節(jié)點。如果傳感器節(jié)點接收到父節(jié)點發(fā)送的連接成功信息，則會發(fā)送一個成功傳輸響應信息以確認接收，然后傳感器節(jié)點MAC層將通過MLME_ASSOCIATE.confirm原語通知網絡層，父節(jié)點接收到傳感器節(jié)點的成功傳輸響應信息后，將通過MLME_COMM_STATUS.indication原語將傳輸成功的響應狀態(tài)發(fā)送給網絡層。

通過已經組建好的ZigBee網絡，父節(jié)點便能很方便地與傳感器節(jié)點進行無線通信，通過指令可控制子節(jié)點向父節(jié)點周期性地上傳數據，通過父節(jié)點可控制傳感器節(jié)點，如停止采集數據，發(fā)送數據等。

3.3 人機交互設計

本系統(tǒng)人機交互設計由終端手機Android程序和傳感器節(jié)點處的人機交互模塊組成。Android程序實現(xiàn)終端信息的顯示和命令的交互，傳感器節(jié)點處的人機交互通過簡單的矩陣按鍵、LCD和語音模塊組成。LCD屏顯示按鍵的操作提示，通過按鍵可以控制語音播報的內容。語音播報是將所需要的語音數據先導入語音芯片，并記錄每一語音數據的地址。當需要播報該語音數據的時候，通過查表法導出語音數據，通過功放電路播放語音。

四、總結與展望

在誤差在允許的范圍內，我們已完成環(huán)境信息的采集與顯示，并可進行語音播報?，F(xiàn)階段已加入ZigBee網絡對傳感器網絡進行管理，且通過該網絡可將各個節(jié)點的環(huán)境信息周期性地上傳至服務器。我們正致力于開發(fā)遠程應用端Android程序，在實時顯示傳感器目前的環(huán)境信息的基礎上增加更多的功能。

參 考 文 獻

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