陳 歡，陳新泉

(安徽工程大學(xué)計算機與信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

傳統(tǒng)的溫濕度檢測多采用有線傳輸方式，但對于監(jiān)控范圍廣、監(jiān)測點數(shù)量多等復(fù)雜的環(huán)境，有線傳輸方式布線困難且成本高.隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，溫濕度采集趨向于無線傳輸方式[1]，ZigBee以其低功耗、低成本和短時延等優(yōu)點，在無線數(shù)據(jù)傳輸中得到廣泛應(yīng)用[2-3].因此，設(shè)計一套使用ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的無線溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可為家居生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來便利.

1 總體設(shè)計

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Overall System Architecture

基于ZigBee的無線溫濕度采集系統(tǒng)將通過ZigBee協(xié)調(diào)器收集ZigBee終端節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C或移動終端側(cè)顯示.系統(tǒng)大體可分為3個部分：(1)采集模塊.包含ZigBee終端采集節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點，采集節(jié)點上有傳感器模塊、終端節(jié)點與傳感器通信[4]，用來獲取環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù).(2)客戶端.它是上位機和小程序的統(tǒng)稱，不同的是上位機運行在電腦上，小程序運行在移動設(shè)備上，它們都可以查看到從協(xié)調(diào)器或者從服務(wù)器加載的數(shù)據(jù).(3)服務(wù)端.負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收、轉(zhuǎn)發(fā)和存儲，提供設(shè)備動態(tài)注冊接口.數(shù)據(jù)由聯(lián)網(wǎng)模塊上報到云平臺，云平臺存儲數(shù)據(jù)，然后通過規(guī)則引擎轉(zhuǎn)發(fā)到客戶端小程序[5].系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示.

2 硬件設(shè)計

2.1 ZigBee底板

ZigBee節(jié)點上搭載的是CC2530芯片.這是TI公司開發(fā)用于解決ZigBee片上系統(tǒng)的芯片，內(nèi)核本質(zhì)是C8051，它的射頻收發(fā)系統(tǒng)模塊是2.4 GHz頻帶，可廣泛應(yīng)用于短距離無線通信組網(wǎng)領(lǐng)域[6].CC2530作為ZigBee協(xié)議實現(xiàn)的MCU(微控制器)，主要負(fù)責(zé)創(chuàng)建和加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)；作為終端的節(jié)點，需要負(fù)責(zé)采集傳感器的數(shù)據(jù)，編碼轉(zhuǎn)換發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點；作為協(xié)調(diào)器的節(jié)點，要與上位機進(jìn)行通信并上報數(shù)據(jù)[7-8].底板中的CC2530與其他元件連接的原理圖如圖2所示.

2.2 傳感器主板

傳感器主板是通過排母固定在底板上的，主板只需要引出幾路有需要的電路，其余陣腳控制，這樣設(shè)計簡單.本系統(tǒng)選用SHT21作為傳感器，可以同時采集溫度和濕度.SHT21傳感器在如圖3所示的矩形框內(nèi)，黑色的即是SHT21芯片.

SHT21的原理圖如圖4所示，底板上的CC2530芯片通過IIC協(xié)議與傳感器通信，對應(yīng)硬件設(shè)計中采用串行總線SCL(時鐘線)和SDA(數(shù)據(jù)線)獲得溫濕度數(shù)據(jù).

圖3 傳感器主板Fig.3 Sensor Board

圖4 SHT21原理圖Fig.4 SHT21 Principle

2.3 協(xié)調(diào)器聯(lián)網(wǎng)模塊

本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器聯(lián)網(wǎng)模塊使用的是基于樂鑫ESP8266-12F芯片的NodeMCU開發(fā)板，運行NONOS非操作系統(tǒng)，提供ESP8266硬件的所有接口，包含但不限于GPIO，PWM，IIC和ADC等功能，開發(fā)者無需關(guān)注繁復(fù)的硬件配置、寄存器操作等，是一款高性價比的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)平臺.NodeMCU上ESP8266的原理圖如圖5所示.協(xié)調(diào)器在開機上電后，NodeMCU自動初始化，按照事先燒錄的代碼配置連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，協(xié)調(diào)器初始化完畢后會給NodeMCU發(fā)送初始化完畢命令，然后發(fā)送數(shù)據(jù).NodeMCU需要解析數(shù)據(jù)幀格式并轉(zhuǎn)換為MQTT的Payload報文格式發(fā)送給服務(wù)器.

圖5 ESP8266原理圖Fig.5 ESP8266 Principle

3 軟件設(shè)計

3.1 采集模塊

采集模塊包含ZigBee終端采集節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和NodeMCU聯(lián)網(wǎng)模塊.Z-Stack是TI公司為ZigBee設(shè)計的協(xié)議棧，人們只需了解整體運行流程，在指定的地方書寫用戶代碼就可以完成目標(biāo).NodeMCU的作用是連接網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)從個域網(wǎng)帶到互聯(lián)網(wǎng)，程序是基于NONOS編寫的，自帶MQTT和UART等庫函數(shù).

采集節(jié)點上搭載SHT21溫濕度傳感器.節(jié)點通過IIC讀取到環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將收集到的溫濕度數(shù)據(jù)上報給上位機或MQTT代理服務(wù)器.節(jié)點程序運行流程如圖6所示.

圖6 ZigBee節(jié)點程序運行流程Fig.6 ZigBee Node Program Running Process

3.2 服務(wù)端

服務(wù)端包含物聯(lián)網(wǎng)IoT平臺和小程序后端接口服務(wù)，兩者是互相依靠的.物聯(lián)網(wǎng)IoT平臺是MQTT消息的代理服務(wù)器，由NodeMCU上報的數(shù)據(jù)在這里會存儲、分析和轉(zhuǎn)發(fā).小程序后端接口是基于Flask輕量應(yīng)用框架開發(fā)的，它架設(shè)在個人服務(wù)器上，調(diào)用IoT平臺的接口為小程序MQTT提供設(shè)備動態(tài)注冊，查詢NodeMCU——偽網(wǎng)關(guān)狀態(tài)等.

圖7 小程序設(shè)備動態(tài)注冊示意Fig.7 Dynamic Registration of Mini Program

物聯(lián)網(wǎng)IoT平臺選擇阿里云IoT平臺，開發(fā)者可以通過多種方式連接阿里云，MQTT是其中一種.本研究中NodeMCU連接阿里云是TCP方式的MQTT，而小程序中由于微信平臺本身的限制，使用了一種MQTTOverWebSocket方式與阿里云完成連接.以上所有的連接都需要阿里云IoT平臺提供的三元組信息(即ProductKey，DeviceName，DeviceSecret).NodeMCU中這些信息已被固化，而小程序的動態(tài)注冊就是為了獲得三元組.小程序動態(tài)注冊示意如圖7所示.

3.3 客戶端

客戶端主要包括Qt上位機和微信小程序.上位機是基于跨平臺的Qt用戶界面框架開發(fā)的，配合Qt的組件QSerialPort完成串口通信，QCharts繪制數(shù)據(jù)變化曲線；微信小程序使用Uni-App多平臺開發(fā)框架，一套代碼可以運行到安卓、IOS和小程序等.上位機通過串口通信接收協(xié)調(diào)器上報的數(shù)據(jù)，微信小程序則是接收MQTT代理服務(wù)器推送的主題數(shù)據(jù).雖然它們接收數(shù)據(jù)的方式不同，但都能接收到實時的溫濕度數(shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)的變化趨勢，還可以控制節(jié)點采集開關(guān)、發(fā)送頻率等運行狀態(tài).

協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送協(xié)議幀給上位機解析，幀檢驗無誤后上位機上會顯示具體數(shù)據(jù)，并描繪變化曲線.協(xié)調(diào)器接入NodeMCU后，NodeMCU解析協(xié)調(diào)器發(fā)來的數(shù)據(jù)并完成校驗，提取具體數(shù)據(jù)后向MQTT代理服務(wù)器發(fā)送報文消息，代理服務(wù)器會按規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)給小程序(小程序本身也是MQTT客戶端)，由此便完成了數(shù)據(jù)從終端采集到客戶端顯示的流轉(zhuǎn).上位機和小程序顯示結(jié)果界面如圖8所示.

圖8 上位機和小程序顯示結(jié)果界面Fig.8 Result Interface of Host Computer and Mini Program

4 結(jié)語

主要討論了基于ZigBee的無線溫濕度采集系統(tǒng)的開發(fā)過程，從最基本的ZigBee協(xié)議到Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)，從上位機開發(fā)到協(xié)調(diào)器MQTT聯(lián)網(wǎng)，從服務(wù)端設(shè)計到客戶端顯示，形成了一套基礎(chǔ)的無線數(shù)據(jù)采集模型.該模型不僅能用于溫濕度的采集，在智能家居中還可以用于二氧化碳等環(huán)境變量的采集，在工農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)中也可以用于監(jiān)測生產(chǎn)車間環(huán)境和監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)等.