楊瑞峰,王 雄,郭晨霞,張 鵬

(1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,太原 030051;2.山西省自動化檢測裝備與系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,太原 030051)

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用*

楊瑞峰1,2*,王 雄1,2,郭晨霞1,2,張 鵬1,2

(1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,太原 030051;2.山西省自動化檢測裝備與系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心,太原 030051)

為了高效便捷準確的監(jiān)測環(huán)境中的溫濕度、灰塵等,提出了一種基于ZigBee協(xié)議無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案,利用了其低速率、低功耗、延時短、網(wǎng)絡(luò)存儲量大且具有自動組網(wǎng)和自愈功能等特點。系統(tǒng)中,硬件平臺為TI公司的CC2530主控芯片,軟件平臺基于Z-Stack協(xié)議棧標準,現(xiàn)場終端節(jié)點上采集到的數(shù)據(jù),通過無線或者USB串口上傳至PC機。實驗結(jié)果表明:終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)準確可靠,實現(xiàn)了區(qū)域化數(shù)據(jù)監(jiān)測,無線化的監(jiān)測系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用前景。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò);環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng);ZigBee;CC2530;GPRS

隨著科技信息時代的發(fā)展,物聯(lián)網(wǎng)概念的興起,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線通信在很大一部分空間,得到了廣泛的應(yīng)用。由于傳統(tǒng)的有線方式空間布局比較繁瑣、成本較高、維修難度較大和功耗較高等特點,傳統(tǒng)的有線才會被無線慢慢的所替代。無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由很多體積小、成本低、具有感知的能力和微型傳感器節(jié)點等模塊構(gòu)成,且結(jié)合通信、計算機網(wǎng)絡(luò)、傳感器和嵌入式等多種先進性技術(shù),組成了現(xiàn)代的新型智能網(wǎng)絡(luò)[1-2]。

ZigBee是一種短距離無線通信智能網(wǎng)絡(luò),且比較適合應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信之間的分布范圍要求不是很廣,數(shù)據(jù)量不是很大,數(shù)據(jù)傳輸速率相對而言較低,[3]但是對數(shù)據(jù)的可靠性、成本、延時和功耗等有要求的地方。ZigBee也是整合組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計較多的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之一。本文提出采用基于ZigBee協(xié)議標準的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫濕度、灰塵監(jiān)測系統(tǒng)方案,在PC機上采用LabVIEW構(gòu)成監(jiān)測顯示數(shù)據(jù)的上位機平臺,實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)傳輸、存儲、和分析,從而實現(xiàn)真正意義上的無線環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測[4]。

1 系統(tǒng)工作原理與結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)布局由現(xiàn)場終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點、上位機監(jiān)測平臺和手機APP監(jiān)測模塊等幾個主要部分構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)構(gòu)成的主要部分又是由集成增強型8051MCU的CC2530核心控制芯片、液晶顯示器、鍵盤模塊、數(shù)據(jù)存儲器、串口通訊模塊、各類傳感器、無線通信模塊和電源模塊組成。協(xié)調(diào)器節(jié)點將接收到的數(shù)據(jù)分析處理,然后通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到手機和USB串口傳輸給實時的監(jiān)測上位機平臺,對多個現(xiàn)場終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行實時的存儲、分析和屏幕圖像的交替顯示,達到一種很清晰的雙重效果[5]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 CC2530最小系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 CC2530芯片模塊

系統(tǒng)中,核心控制模塊選用的是TI公司的CC2530模塊,該芯片上集成了ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM應(yīng)用波段、增強型8051MCU、8 kbyte的RAM和256 kbyte的Flash存儲器,還包含MAC定時器、時鐘模塊及通定時器,具有8路輸入的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),加密處理器,上電、復(fù)位和放電,看門狗定時器和通用的I/O端口。CC2530在主動發(fā)送模式時電流為29 mA,主動接收模式時電流為24 mA,其比較適合應(yīng)用于超低功耗系統(tǒng)中[6]。其原理圖如圖2所示。

2.2 現(xiàn)場終端節(jié)點模塊

現(xiàn)場終端節(jié)點一選用的是SHT11數(shù)字溫濕度傳感器。其內(nèi)部集成了濕度傳感器、溫度傳感器、14位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、信號調(diào)理、及I2C總線接口等模塊通過CC2530微處理器簡單的電路連接就能夠?qū)崟r的采集本地濕度和溫度。SHT11具有溫濕度檢測精度高、抗復(fù)雜環(huán)境能力強和反應(yīng)速度快等特點。

現(xiàn)場終端節(jié)點二選擇的是夏普第光學(xué)灰塵傳感器GP2Y1010AU0F[7]。輸出電壓可變范圍(V)=輸出電壓范圍(V)-無塵時輸出電壓(V)?？梢赞D(zhuǎn)換成灰塵濃度:檢出灰塵濃度范圍(mg/m3)=輸出電壓可變范圍(V)÷檢出感度(kV/(0.1 mg/m3))。測試得到的數(shù)值和空氣質(zhì)量的對照:0～75非常好、75～150很好、150～300好、300～1 050一般、1 050～3 000差、3 000+很差。該灰塵傳感器可以檢測出空氣的粒子,當(dāng)這些灰塵進入傳感器檢測到的范圍內(nèi)時,這些灰塵顆粒物受到了光照且產(chǎn)生了散射,散射光進入了光元器件且轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過算法處理后以電壓的方式輸出。

現(xiàn)場終端節(jié)點三選用的是MQ135煙霧傳感器。MQ135使用的材料是電導(dǎo)率比較低的二氧化錫,當(dāng)其環(huán)境下存在污染氣體(氨氣、硫化物等)時,該煙霧傳感器的電導(dǎo)率隨著環(huán)境中污染物濃度的增加而增強。其驅(qū)動電路就可以將電導(dǎo)率的變化特性轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的輸出信號[8]。如表1所示。

表1 傳感器的型號及其參數(shù)

2.3 WiFi無線局域網(wǎng)模塊

WiFi模塊可以實現(xiàn)STA/AP/STA+AP 3種工作模式。本文系統(tǒng)串口轉(zhuǎn)換WiFi模塊采用的是ESP8266,其工作在AP模式。Wifi模塊ESP8266作為TCP通信的服務(wù)器端,手機是TCP通信的客戶端。手機打開WiFi無線局域網(wǎng)功能后,連接WiFi模塊ESP8266發(fā)射的無線熱點,手機就可以與ESP8266實現(xiàn)通信,達到了一種手機能夠?qū)崟r查看監(jiān)測到的環(huán)境數(shù)據(jù)[9]。原理如圖3所示。

圖3 WiFi模塊電路原理框圖

2.4 GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)中,GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊選用的是西門子生產(chǎn)的MC39i,它是由900 MHz/1800 MHz雙頻通信和GSM模塊構(gòu)成,該模塊的性價比和穩(wěn)定性都比較好,而且還提供了數(shù)字信號傳輸、語音、短消息及其傳真,它不僅具備為用戶提供RS-232串口接口、SIM卡接口以及語音等功能,而且還具有低功耗(處于睡眠狀態(tài)時電流為3 mA)、結(jié)構(gòu)簡單等特點。MC39i模塊通過串口通信與協(xié)調(diào)器相連,從而實現(xiàn)ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸[10-11]。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊框架

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧是由標準的開放系統(tǒng)互連模型的七層構(gòu)成,但是其只定義了ZigBee協(xié)議的分層結(jié)構(gòu),ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的物理層PHY(Physical Layer)和媒介訪問控制層MAC(Medium Access Control Sub-layer)是由IEEE 802.15.4—2003 標準定義的,在這個底層協(xié)議的基礎(chǔ)之上ZigBee聯(lián)盟具有網(wǎng)絡(luò)層NWK(Network Layer)和應(yīng)用層APL(Application Layer)。ZigBee應(yīng)用層是協(xié)議體系結(jié)構(gòu)中的最高層,由應(yīng)用層支持子層APS(Application Support Sub-layer)、應(yīng)用框架AF(Application Framework)和設(shè)備對象ZDO(ZigBee Device Objects)組成,最后根據(jù)用戶定義應(yīng)用程序APP(Application)[12],如圖5所示。網(wǎng)絡(luò)層(NWK)是ZigBee協(xié)議棧的重要核心部分,其功能包括:網(wǎng)絡(luò)的組建與查找、路由器和協(xié)調(diào)器節(jié)點的初始化、設(shè)備自動連接網(wǎng)絡(luò)、自動斷開網(wǎng)絡(luò)連接、設(shè)備復(fù)位功能、接收機同步數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫維護等等。在ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)中,經(jīng)常由每一層來量化各自的標準體系。每層負責(zé)處理解決其特定的任務(wù),并向上層提供重要的服務(wù)。

圖5 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的主控部位,其主要負責(zé)組建網(wǎng)絡(luò),允許節(jié)點請求加入網(wǎng)絡(luò)和短地址分配等特點,如圖6所示。

協(xié)調(diào)器上電后,由啟動代碼來初始化軟硬件模塊,然后協(xié)調(diào)器會掃描信道,查看是否新建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)成功。如果成功,整個模塊就進入無線監(jiān)控模式下,當(dāng)有節(jié)點請求加入網(wǎng)絡(luò)時,協(xié)調(diào)器會自動分配地址。最后將其新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點地址存儲處理,更新和顯示關(guān)聯(lián)設(shè)備的數(shù)據(jù),協(xié)調(diào)器節(jié)點便接收從路由節(jié)點和傳感器節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù),并將其傳送到上位機,然后指令請求中斷返回,形成一個多循環(huán)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)模式[13]。

圖6 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖

3.3 現(xiàn)在終端節(jié)點軟件設(shè)計

圖7 傳感器節(jié)點軟件流程圖

現(xiàn)場終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點之間通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信,將傳感器節(jié)點采集到的環(huán)境實時數(shù)據(jù)進行整理和存儲,然后在將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點,如圖7所示。終端節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集、分析和存儲等功能,將采集的數(shù)據(jù)傳輸給上一級模塊。終端節(jié)點上電后,先設(shè)備初始化,查看網(wǎng)絡(luò)是否成功加入,然后請求加入ZigBee網(wǎng)絡(luò),將網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。新加入的節(jié)點必須通過已存在網(wǎng)絡(luò)中的全功能設(shè)備才能成功入網(wǎng)絡(luò),在通信范圍內(nèi)的全功能設(shè)備會請求加入ZigBee網(wǎng)絡(luò),然后為為其節(jié)點分配一個獨一無二的ID。最后在進入休眠與喚醒采集數(shù)據(jù)之間循環(huán),低功耗工作模式[14]。

3.4 ZigBee拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)支持3種拓撲結(jié)構(gòu):星型網(wǎng)絡(luò)(star)、網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)(mesh)、和簇樹網(wǎng)絡(luò)(cluster tree)[15],如圖8所示。星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),協(xié)調(diào)器作為主控核心處理器,路由器與現(xiàn)在終端設(shè)備與協(xié)調(diào)器通過網(wǎng)絡(luò)連接,但是在這樣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中路由器沒有起到作用。網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的節(jié)點至少要連接兩個以上的節(jié)點,通信范圍也比較廣,但是其網(wǎng)絡(luò)設(shè)計比較繁瑣,成本也比較高,兩者都不可取。因此本系統(tǒng)選用簇樹結(jié)構(gòu),它具備網(wǎng)絡(luò)的多跳自組織能力,成本比較低,能較好的滿足基本的需求。

圖8 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

3.5 節(jié)點的低功耗軟件設(shè)計

ZigBee技術(shù)具備管理電壓的功能,所以能量損耗主要在于節(jié)點之間使用了無線通信的方式。終端節(jié)點與路由節(jié)點之間距離不遠的時候,可利用RSSI值調(diào)整到較小的發(fā)送功率能夠得到較好的通信保障,調(diào)整不同節(jié)點之間的發(fā)射功率,以免節(jié)點在固定的發(fā)射功率時造成不必要損耗。當(dāng)RSSI值調(diào)節(jié)到比較大的時候,表明節(jié)點之間的通信質(zhì)量不錯,可以適當(dāng)?shù)亟档凸?jié)點之間的發(fā)送功率,同時RSSI值也逐漸變小,所以需要一個能夠保障節(jié)點之間通信可靠性的數(shù)值[16],其結(jié)構(gòu)如圖9所示?，F(xiàn)場終端向路由節(jié)點發(fā)送功率校正的指令,當(dāng)路由節(jié)點接收到返回的RSSI值時候,終端節(jié)點可以根據(jù)自己的實際情況來調(diào)整發(fā)射功率。

圖9 校正節(jié)點間的發(fā)射功率框圖

4 測試結(jié)果與分析

4.1 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的影響主要在于網(wǎng)絡(luò)吞吐量和信息傳輸延時。

(1)網(wǎng)絡(luò)吞吐量就是在一段時間內(nèi),網(wǎng)絡(luò)成功傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量。

平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量=網(wǎng)絡(luò)成功傳輸數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)/總用的時間

(2)信息數(shù)據(jù)平均延時就是路由節(jié)點網(wǎng)絡(luò)延時時間和數(shù)據(jù)傳輸?shù)却訒r時間。

數(shù)據(jù)平均延時=∑(接收數(shù)據(jù)使用時間-傳輸數(shù)據(jù)使用時間/數(shù)據(jù)發(fā)送量)[17]

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器、路由器和終端等部分實物模塊如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)部分實物圖

本系統(tǒng)上位機監(jiān)測平臺采用的是LabVIEW軟件制作,其上位機界面如圖11所示。上位機的功能是與協(xié)調(diào)器節(jié)點與現(xiàn)場終端節(jié)點進行通信,實現(xiàn)傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)分析、顯示、更新和存儲等特點。打開上位機界面后,就能看到終端節(jié)點發(fā)給協(xié)調(diào)器節(jié)點的實時數(shù)據(jù)[18]。在采集終端節(jié)點時需要設(shè)置不同的發(fā)送數(shù)據(jù)時間間隔,避免彼此之間發(fā)生干擾,然后在將各節(jié)點采集的數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中,方便以后查看數(shù)據(jù),根據(jù)預(yù)先設(shè)定的報警溫度,設(shè)定值為28 ℃,實際值為28.6 ℃,已經(jīng)超過設(shè)定值,指示燈亮。

圖11 上位機平臺界面

4.2 結(jié)果分析

系統(tǒng)監(jiān)測到的環(huán)境實時數(shù)據(jù)可能受外界的其他因素影響,為了保證采集的數(shù)據(jù)準確性,選擇操場作為實驗測試數(shù)據(jù)場地,在場地上布置了5個現(xiàn)場終端傳感器節(jié)點、2個路由節(jié)點和1個協(xié)調(diào)器節(jié)點,現(xiàn)場終端節(jié)點之間的距離不大于100m,路由節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間的距離不大于50m,并通過USB串口或者無線GPRS與PC機相連,然后再通過上位機顯示采集的數(shù)據(jù),終端節(jié)點每隔30s采集一次數(shù)據(jù),測試結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)測試結(jié)果

根據(jù)精度計算公式:

精度=(|測量值-實際值|÷實際值)Δmax×100%

得出終端節(jié)點測量的精度范圍:溫度(0.73%)、濕度(2.86%)和灰塵(2.04%)可以看出相對精確的測量值還是在合理的范圍之內(nèi)。

5 結(jié)束語

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案,重點研究了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和組建網(wǎng)絡(luò)軟件應(yīng)用部分。利用USB串口或者無線網(wǎng)絡(luò)和PC機監(jiān)測平臺之間通信,通過路由節(jié)點網(wǎng)絡(luò)連接手機來顯示監(jiān)測的實時環(huán)境數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)性能穩(wěn)定、低速率、低功耗、延時短和短距離傳輸?shù)忍攸c,其不僅能夠提供自動化程度,而且還實現(xiàn)區(qū)域化環(huán)境數(shù)據(jù)實時監(jiān)測,具備良好的實際應(yīng)用前景。

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Design and Application of Wireless Sensor Network Environmental Monitoring System Based on ZigBee*

YANGRuifeng1,2*,WANGXiong1,2,GUOChenxia1,2,ZHANGPeng1,2

(1.School of Instrument and Electronics,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Automatic Test Equipment and System Engineering Research Center of Shanxi Province,Taiyuan 030051,China)

In order to monitor the temperature and humidity and dust in the environment effectively and conveniently,a wireless sensor network environment monitoring system based on ZigBee protocol is proposed,which has the characteristics of low rate,low power consumption,short delay,large network storage capacity,automatic network and self-healing. In the system,Hardware platform is the CC2530 main control chip of TI and software platform is based on the Z-Stack protocol stack standard. Data collected from the site of the terminal node are upload through the wireless network or USB serial port to PC. The experimental results show that the data collected from the terminal node are accurate and reliable,and it can achieve the regional data monitoring,and the wireless monitoring system has a good application prospect.

wireless sensor network;environmental monitoring systems;ZigBee;CC2530;GPRS

項目來源:山西省科技攻關(guān)項目(2015031007-1);山西省青年科技研究基金項目(2015021104)

2016-04-25 修改日期:2016-06-18

TP274

A

1005-9490(2017)03-0760-06

C:7230

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.048