基于GSM與ZigBee的環(huán)境監(jiān)測(cè)與采集系統(tǒng)

戴 建，史志才，吳 飛，王昌志，江 鳳

（上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海201620）

從工業(yè)控制到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從辦公場(chǎng)所到日常家居，環(huán)境監(jiān)測(cè)與采集都發(fā)揮重要的作用。而對(duì)于大多數(shù)的檢測(cè)場(chǎng)所，面積一般在幾十到上百平方米。如果采用傳統(tǒng)的布線方式，不僅系統(tǒng)的硬件成本很高，而且會(huì)影響到環(huán)境的美觀[1]。

ZigBee是近些年新興的一種短距離雙向無(wú)線通信技術(shù)。相比于藍(lán)牙、WiFi和RFID等技術(shù)，Zig-Bee具有功耗低、成本低、時(shí)延短、可靠性高、組網(wǎng)方式靈活等特點(diǎn)[2-3]，其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也不斷擴(kuò)大。GSM是一種當(dāng)前極為廣泛的移動(dòng)通訊標(biāo)準(zhǔn)，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高、傳輸特性好的優(yōu)勢(shì)[4]，是采集數(shù)據(jù)良好的無(wú)線傳輸方式。將GSM技術(shù)與ZigBee技術(shù)相結(jié)合可以充分利用這兩者的優(yōu)勢(shì)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由移動(dòng)設(shè)備、控制器和多個(gè)傳感器終端組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of system

系統(tǒng)控制器主要由STM32處理器、LCD觸摸屏、存儲(chǔ)器、ZigBee協(xié)調(diào)器和GSM模塊等組成，是系統(tǒng)的核心模塊。其中，STM32處理器主要負(fù)責(zé)與LCD觸摸屏、存儲(chǔ)器、ZigBee協(xié)調(diào)器、GSM模塊等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。LCD觸摸屏既能夠顯示系統(tǒng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，又能夠通過(guò)其圖形化界面實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定。系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)和重要參數(shù)，如密碼、移動(dòng)號(hào)碼、報(bào)警極限值等都儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中。控制器通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器構(gòu)建感知數(shù)據(jù)的傳輸通道，接收來(lái)自傳感器終端的感知數(shù)據(jù)。ZigBee協(xié)調(diào)器可通過(guò)串口1將接收到的數(shù)據(jù)上傳到STM32處理器進(jìn)行處理。同時(shí)，ZigBee協(xié)調(diào)器也可將來(lái)自STM32控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送到傳感器終端。GSM模塊構(gòu)建了系統(tǒng)控制器與移動(dòng)通訊設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，在系統(tǒng)中主要通過(guò)短信的形式實(shí)現(xiàn)。GSM模塊既可以通過(guò)串口2與STM32控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，又可以通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行通信。

傳感器終端包含多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)和傳感器，主要功能是環(huán)境數(shù)據(jù)的感知與采集，并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器。同時(shí)，ZigBee節(jié)點(diǎn)可以接收來(lái)自ZigBee協(xié)調(diào)器模塊的命令。在接收到命令后，ZigBee終端模塊將做出數(shù)據(jù)更新等操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)模塊化的設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)硬件劃分為控制器模塊、ZigBee模塊、GSM模塊和傳感器模塊。

圖2 控制器模塊電路圖Fig.2 Circuit diagram of control module

2.1 控制器模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示，控制器模塊由STM32芯片及其外圍電路、LCD觸摸屏、存儲(chǔ)器組成。STM32是由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3體系的微控制器。STM32系列微控制器的突出優(yōu)點(diǎn)就是內(nèi)部高度集成，且提供高質(zhì)量的固件庫(kù)，方便開(kāi)發(fā)[5]。將LCD觸摸屏單元的T_PEN輸出與微控制器的PC1引腳直接相連，當(dāng)有觸摸操作時(shí)，微控制器將會(huì)通過(guò)中斷響應(yīng)該操作，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和工作效率。模塊共有2個(gè)存儲(chǔ)器，W25X16用來(lái)存儲(chǔ)漢字庫(kù)及字符庫(kù)，24C16用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)的密碼、限值等工作參數(shù)。

2.2 ZigBee模塊設(shè)計(jì)

ZigBee模塊包括ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee節(jié)點(diǎn)兩部分。ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)串口與STM32處理器相連，以星型網(wǎng)絡(luò)方式構(gòu)建ZigBee傳輸通道[6]。傳感器終端通過(guò)ZigBee節(jié)點(diǎn)接入該通道，與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

如圖3所示，ZigBee模塊由CC2530芯片和外圍電路組成。CC2530是一款由TI公司生產(chǎn)的基于IEEE802.15.4協(xié)議的無(wú)線收發(fā)芯片。CC2530內(nèi)部集成了增強(qiáng)型8051控制內(nèi)核，結(jié)合TI公司開(kāi)發(fā)的ZigBee協(xié)議棧，用戶可以很好地開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。CC2530具有多種模式，具有模式間切換時(shí)間短、功耗低、傳輸穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)[7]。ZigBee協(xié)調(diào)器與Zig-Bee節(jié)點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)上基本一致，不同點(diǎn)在于Zig-Bee協(xié)調(diào)器的對(duì)外接口只有串口線，而ZigBee節(jié)點(diǎn)的對(duì)外接口很多，以便接入傳感器終端底座。

圖3 ZigBee模塊原理圖Fig.3 Circuit diagram of ZigBee module

2.3 傳感器終端設(shè)計(jì)

傳感器終端由ZigBee節(jié)點(diǎn)、底座和傳感器組成。為了便于系統(tǒng)功能的拓展，所有傳感器終端均采用相同的底座設(shè)計(jì)。底座上預(yù)留2種接口，一種接入ZigBee節(jié)點(diǎn)，一種接入傳感器。此外，底座上設(shè)計(jì)有數(shù)個(gè)撥碼開(kāi)關(guān)，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)的設(shè)置可以設(shè)定終端的功能和傳感器的種類。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的變化，傳感器可以是溫度傳感器、濕度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器和煙霧傳感器等。

2.4 GSM模塊設(shè)計(jì)

GSM模塊在硬件上采用的是SIM900A單元。SIM900A是一款由SIMCOM公司專為中國(guó)和印度市場(chǎng)設(shè)計(jì)的2頻GSM/GPRS模塊。SIM900A采用標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口，可以向用戶提供GSM語(yǔ)音、短消息等多種業(yè)務(wù)，具有多模式、多接口等特點(diǎn)[8]。同時(shí)，SIM900A內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議和擴(kuò)展的TCP/IP AT命令使得通信變得更加簡(jiǎn)便和可靠。在短信傳輸時(shí)，SIM900A 具有 MT、MO、CB、Text和 PDU 等多種模式，使用SIM卡作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該系統(tǒng)正是通過(guò)短信對(duì)溫濕度進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)，SIM900A模塊功能框圖如圖4所示。

圖4 SIM900A模塊功能框圖Fig.4 Functional diagram of SIM900A module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括STM32控制器程序、ZigBee協(xié)調(diào)器程序和傳感器終端程序。其中ZigBee協(xié)調(diào)器主要完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)作用，并不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的加工或處理，所以在文中沒(méi)有作詳細(xì)介紹。

圖5 控制器程序流程圖Fig.5 Flow chart of controller

3.1 STM32控制器程序設(shè)計(jì)

STM32控制器程序?qū)崿F(xiàn)與ZigBee協(xié)調(diào)器模塊和GSM模塊的數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)的處理與顯示，以及對(duì)觸摸屏輸入命令的識(shí)別與處理等。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)有效處理，主程序中通過(guò)輪詢的方式檢測(cè)GSM模塊是否有新的命令。首先，控制器通過(guò)串口2向GSM發(fā)出查詢指令，GSM模塊在收到命令后會(huì)將最新收到的數(shù)據(jù)發(fā)回給控制器，控制器將會(huì)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的判斷和操作，其程序流程圖如圖5所示。控制器通過(guò)串口1接收Z(yǔ)ig-Bee協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)。當(dāng)接收數(shù)據(jù)正常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)顯示和記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)接收數(shù)據(jù)異常時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)向設(shè)定的手機(jī)號(hào)發(fā)送提示短信，串口2中斷執(zhí)行流程如圖6所示。控制器可通過(guò)觸摸屏中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)（如目標(biāo)號(hào)碼、安全參數(shù)范圍等）進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)有指令輸入時(shí)，觸摸屏激活外部中斷1，系統(tǒng)通過(guò)讀取觸摸屏信息對(duì)指令進(jìn)行識(shí)別并加以處理。

圖6 串口1執(zhí)行流程圖Fig.6 Flow chart of serial port 1

3.2 傳感器終端程序設(shè)計(jì)

傳感器種類較多，為了實(shí)現(xiàn)傳感器終端的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，采用模塊化的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。即將所有傳感器的數(shù)據(jù)采集方法都在程序中實(shí)現(xiàn)，終端通過(guò)讀取撥碼開(kāi)關(guān)數(shù)值判斷傳感器的類型，再執(zhí)行該傳感器數(shù)據(jù)的采集方式。傳感器終端的程序流程如圖7所示。

圖7 傳感器終端程序流程圖Fig.7 Flow chart of sensor terminal program

為了便于數(shù)據(jù)的識(shí)別和處理，傳感器終端與ZigBee協(xié)調(diào)器之間采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸格式，即：

起始符+8位終端編號(hào)+8位感知數(shù)據(jù)類型號(hào)+16位感知數(shù)據(jù)+結(jié)束符。

根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)定采樣周期為5 s，即每5 s傳感器終端將對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行一次采樣并將數(shù)據(jù)上傳到控制器。同時(shí)，如果ZigBee終端接收到控制器發(fā)出的指令后，將會(huì)做出相應(yīng)的操作。

3.3 GSM數(shù)據(jù)傳輸格式

系統(tǒng)主要以短信的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。短信的收發(fā)方式有3種，分別是Block方式、Text方式和PDU方式。在國(guó)內(nèi)，目前只支持PDU方式進(jìn)行傳輸[9]。在PDU方式下，短信又可以采用3種編碼方式，分別是7 bit編碼、8 bit編碼和UCS2編碼[10]。其中，7 bit編碼用于收發(fā)普通ASCLL字符，8 bit編碼用于收發(fā)數(shù)據(jù)消息，USC2編碼用于收發(fā)Unicode字符。鑒于此，及從人性化的角度出發(fā)，系統(tǒng)采用了USC2編碼。

當(dāng)有短信發(fā)送時(shí)，系統(tǒng)報(bào)告的內(nèi)容主要有數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)大小和安全指標(biāo)。例如：“溫度20℃，舒適”。接收數(shù)據(jù)則主要是通過(guò)關(guān)鍵字的查找來(lái)進(jìn)行判斷。例如接收到的短信為“查詢溫度”時(shí)，系統(tǒng)首先識(shí)別關(guān)鍵字“查詢”，然后識(shí)別關(guān)鍵字“溫度”，綜合判斷就可以知道該短信的命令是要求查詢當(dāng)前的溫度值。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了一種通過(guò)GSM和ZigBee構(gòu)建室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)與采集的設(shè)計(jì)方法與過(guò)程。通過(guò)該系統(tǒng)能夠很好地對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與采集。實(shí)踐證明該系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好，能夠在家居、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用和推廣。

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