鄭卓然　單承剛　侯艷艷

【摘 要】針對(duì)目前大多數(shù)無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用多線制和總線制的連接方式，存在成本較高，施工復(fù)雜，可擴(kuò)展性差，抗干擾能力差，誤報(bào)率很高等問題，本系統(tǒng)是一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圍繞Cortex-M3架構(gòu)的STM32F107處理器，系統(tǒng)可靠性高，實(shí)用性強(qiáng)，大大降低了制作成本，性能和價(jià)格上有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，有很大的市場(chǎng)潛力。

【關(guān)鍵詞】Cortex-M3；無線傳感器；STM32F107；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到醫(yī)療，交通，農(nóng)業(yè)，國防等等領(lǐng)域，而且市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。它的無線傳輸技術(shù)的使用極大提高了人們的生活質(zhì)量。作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的無線傳輸技術(shù)之一，ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)，Zigebee技術(shù)的應(yīng)用對(duì)無線環(huán)境監(jiān)測(cè)是革命性的，市場(chǎng)前景很好，同時(shí)ZigBee技術(shù)極大的提高了環(huán)境監(jiān)控的質(zhì)量和效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)uC/OS-2操作系統(tǒng)在STM32F107處理器上的移植，基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境信息的采集。本系統(tǒng)分為終端節(jié)點(diǎn)部分，網(wǎng)關(guān)部分，以及移動(dòng)用戶端和上位機(jī)部分。終端節(jié)點(diǎn)主要是采集環(huán)境因子發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)信息整合發(fā)送給上位機(jī)和移動(dòng)終

端，移動(dòng)終端和上位機(jī)可以反向控制終端節(jié)點(diǎn)。

1.1 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)主要由芯片STM32F107擴(kuò)展而成，網(wǎng)關(guān)底板與CC2530核心板配合使用可以提供豐富的硬件支持資源。網(wǎng)關(guān)底板集成了JTAG接口、按鍵、LED和LCD、RS232和RS485接口、蜂鳴器、傳感器模塊、電位器、時(shí)鐘模塊和外擴(kuò)存儲(chǔ)模塊等。JTAG接口是連接仿真器下載調(diào)試程序的接口。網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 ZigBee監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

圖2 ZigBee監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

ZigBee監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用CC2530單片機(jī)，CC2530結(jié)合了的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的8051CPU，8KBRAM和許多其它強(qiáng)大的功能。外部擴(kuò)展了溫濕度傳感器，光照傳感器，及火焰?zhèn)鞲衅?。CC2530單片機(jī)通過模擬I2C總線的方式對(duì)溫濕度進(jìn)行采集，采用A/D轉(zhuǎn)換對(duì)光照度進(jìn)行采集，采用IO檢測(cè)對(duì)火焰?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行數(shù)據(jù)采集。ZigBee監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通過四種傳感器采集周圍的信息，將接收的信息傳給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)用數(shù)組封裝起來，將信息用串口0傳送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)利用串口中斷的方式接收來自協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)串口發(fā)送至上位機(jī)，并且網(wǎng)關(guān)UC/GUI界面可以顯示節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境異常預(yù)警。移動(dòng)終端可以接入網(wǎng)關(guān)獲取節(jié)點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)，并可反向控制。

2.1 ZigBee監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后將接收到的數(shù)據(jù)依次封裝到數(shù)組，通過串口將封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主導(dǎo)無線環(huán)境網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的整個(gè)過程，主要包括系統(tǒng)初始化、網(wǎng)絡(luò)的建立、地址的分配和成員的加入、節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)的更新、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表等幾個(gè)方面，另一方面作為網(wǎng)關(guān)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的橋梁，完成網(wǎng)關(guān)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)的通信。

2.2 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

在uC/OS-2操作系統(tǒng)環(huán)境下，網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)為四個(gè)任務(wù)流。四個(gè)任務(wù)流分別是startup_task任務(wù)，touch_task任務(wù)，beep_task任務(wù)，ZigBee_task任務(wù)。startup_task任務(wù)為系統(tǒng)啟動(dòng)任務(wù)，包含觸摸屏任務(wù)、蜂鳴器任務(wù)、ZigBee數(shù)據(jù)處理任務(wù)的創(chuàng)建。觸摸屏任務(wù)touch_task包含初始化GUI界面，每10ms刷新界面顯示功能。蜂鳴器任務(wù)beep_task實(shí)現(xiàn)ZigBee節(jié)點(diǎn)報(bào)警功能。ZigBee數(shù)據(jù)處理任務(wù)ZigBee_task將申請(qǐng)UART4中斷產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)消息郵箱，將數(shù)據(jù)拆分，在GUI界面上顯示出來。

2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件由VB程序語言設(shè)計(jì)，能夠?qū)崟r(shí)顯示溫度，濕度，光照，火焰數(shù)據(jù)，同時(shí)溫度、光照度數(shù)據(jù)超過設(shè)定數(shù)值，上位機(jī)能夠報(bào)警，并能反向控制節(jié)點(diǎn)預(yù)警。

3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在液晶屏上有三個(gè)NO號(hào)分別代表三個(gè)節(jié)點(diǎn)，第一列是溫度顯示框，當(dāng)溫度大于25°時(shí)第一列文本框里的數(shù)字會(huì)變紅而且發(fā)出蜂鳴聲，小于25°轟鳴聲消失。第二列是光照顯示框，數(shù)值越大光照強(qiáng)度越高。第三列是火焰顯示框，當(dāng)檢測(cè)到火焰時(shí)數(shù)值變成1，文本數(shù)值變成紅色，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)報(bào)警。第四列是濕度文本框，數(shù)值越高反映環(huán)境濕度越高。最下端三個(gè)Beep按鈕，分別控制三個(gè)節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊相應(yīng)的Beep按鈕對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出報(bào)警聲。

在上位機(jī)界面的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)顯示文本框現(xiàn)象與網(wǎng)關(guān)實(shí)驗(yàn)圖一致，在發(fā)送區(qū)如果輸入1點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)報(bào)警按鈕，對(duì)應(yīng)1號(hào)的終端節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出報(bào)警聲。輸入2或者3，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出報(bào)警聲。溫度如果大于25°則溫度報(bào)警提示旁的圖片會(huì)變紅，小于25°就恢復(fù)原狀。

4 小結(jié)

本文介紹的是采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（ZigBee）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與控制。其中監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度、光照度、火焰和濕度的數(shù)據(jù)的采集，將接收的信息傳給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)用數(shù)組封裝起來，將信息用串口COM0傳送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)利用中斷的方式接受協(xié)調(diào)器發(fā)送信息整合，在液晶屏上顯示，同時(shí)將信息利用串口2傳給上位機(jī)，在上位機(jī)上顯示，上位機(jī)也可以反控監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，最后在液晶屏上顯示出4種監(jiān)測(cè)因子的數(shù)據(jù)。

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