基于ZigBee和Android的環境監控APP的設計與實現

郭青　薛亮

摘 要：文章設計了一種以CC2530為核心控制芯片的ZigBee無線傳感器網絡環境監控系統，由協調器節點、路由器節點和終端傳感器節點三部分構成。協調器節點建立并維護ZigBee網絡，無線終端傳感器節點采集環境信息，通過ZigBee網絡經路由器節點和協調器節點將數據上傳到智能手機監控客戶端達到實時監測的效果。文章詳細闡述了節點的硬件設計方法和軟件流程。經實驗證明，該系統性能穩定、擴展性好、功耗低，可廣泛應用于農業大棚等環境監測領域。

關鍵詞：CC2530安卓；ZigBee技術；手持設備；無線傳感器網絡

引言

近年來，隨著工農業規模化的發展，環境監測網絡被廣泛地應用于大棚種植、糧食儲藏、生物化學制藥、畜牧養殖等領域中，建立有效的環境監測網絡已經成為非常重要的技術環節[1]。現有傳統的環境監測系統使用有線監測設備，布線復雜，維護困難，靈活性差。將傳感器與無線通信技術相結合的無線傳感器網絡環境監測系統無需布設線路，不受環境制約，容易擴展，維護方便。

隨著無線通信技術的發展，無線傳感器網絡（WSN，wireless sensor networks）[2]得到廣泛應用，在WSN中通過在觀測區域內部署大量的傳感器節點，采集網絡覆蓋區域內感知對象的信息，以自組多跳的無線通信方式，將收集、處理后的信息提供給觀察者。在實際的WSN應用領域中，ZigBee是一種新興的短距離、低速率、高效率無線網絡技術[3]，是基于IEEE802.15.4標準研制開發，關于組網、安全和應用軟件的技術標準。其突出優點是應用簡單、工作頻段靈活、低功耗、低成本、高可靠性，具有自組網和自恢復能力，非常適合用于無線溫濕度、氣體等環境監測系統[4]。APP是智能手機的第三方應用程序。文章基于ZigBee無線技術，以射頻收發器CC2530芯片為核心，在TI公司的免費協議棧Z-Stack基礎上，構建了應用于無線環境監測的ZigBee無線傳感器網絡，利用Eclipse4.4安卓開發平臺使用java語言開發了環境監測管理系統APP，實現了安卓手機客戶端及其他智能手持設備可遠程實時監測環境的變化情況。

1 系統總體方案設計

無線環境監測系統由下位機ZigBee網絡和智能手持設備APP兩部分組成，如圖1所示。下位機ZigBee網絡系統由協調器節點、路由器節點和傳感器終端節點組成樹狀網絡拓撲。協調器節點主要負責建立ZigBee無線網絡，并發送和接收指令；傳感器終端節點主要負責感知周圍環境信息，處理收集到的數據，然后通過無線射頻發送給最近的路由器節點；路由器節點轉發傳感器節點采集到的數據給協調器，克服了遠距離的終端節點的信號衰減的問題。上位機通過串口方式與協調器連接負責把下位機系統發送來的環境監測數據用串口調試助手顯示出來，便于管理人員對環境信息進行實時監控。同時，智能手持設備通過自帶Wi-Fi功能，可以將下位機采集的數據同時顯示在手持設備的APP上。此外，在本設計中加入了對環境燈光的遠程控制功能，手持設備可以通過點擊APP中的圖標實現遠程控制燈光的開關。

2 系統硬件設計

本設計選用TI公司的CC2530F256片上系統芯片作為協調器、路由器和終端傳感器節點的硬件核心。CC2530設有強大的無線前端，集成IEEE802.15.4標準2.4GHz頻段的RF無線電收發機，射頻調制模式為DSSS，具有較高的無線接收靈敏度和抗干擾性，傳輸距離大于75m，最高傳輸速率250kbps[4]。CC2530集成了1個增強型8051MCU內核，保證低功耗和相對高性能，本設計選取的系統可編程內存為256KB，以及8KB的RAM。CC2530提供了8通道12位A/D轉換器和21個通用GPIO、2個UART接口、AES-128安全加密功能、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器，使得CC2530只需很少的外圍電路即可構建一個簡單的ZigBee節點[5]。CC2530支持2.0～3.6V供電電壓，具有三種電源管理模式：喚醒模式0.2mA、睡眠模式1uA和中斷模式0.4uA，當CC2530處于空閑模式時，任何中斷可以把CC2530恢復到主動模式，有些中斷還可以將CC2530從睡眠模式喚醒，滿足超短時間快速轉換，確保了低能源消耗，工作溫度范圍為-40°C～125°C，特別適合要求電池壽命長且環境變化大的室外工作環境[5]。

2.1 協調器節點和路由器節點硬件設計

協調器節點負責對ZigBee網絡進行配置和管理，向終端節點發布監測指令并收集監測數據然后通過串口上傳到上位機顯示，因此，協調器節點的硬件設計由CC2530芯片、串口模塊、電源模塊、射頻天線（RF）模塊及晶振電路等模塊組成。RF ZigBee射頻天線模塊主要用于數據的無線收發和傳送。串口模塊選用PL-2303HX芯片來完成RS232-USB接口轉換[6]。電源模塊用于為協調器節點功能模塊供電，保證節點的正常運行，供電電壓為2.0～3.6V。晶振電路模塊是兩個不同頻率的晶振，分別用于無線數據收發和休眠狀態。路由器節點相比協調器節點只是沒有串口模塊。協調器節點硬件設計結構圖如圖2所示。

2.2 終端節點硬件設計

終端節點的硬件設計主要包括：用于采集環境溫濕度數據的傳感器DHT11、監測煙霧及可燃氣體的MQ-2傳感器；處理和傳輸數據的核心芯片CC2530及無線通信模塊；低功耗的Flash存儲芯片；電源模塊采用外接鋰電池盒供電。當各傳感器檢測到環境信息時，首先由CC2530對數據進行預處理，然后通過天線發送給ZigBee網絡中的路由器節點，間接與協調器進行無線通信。當傳輸完畢后，芯片進入低功率的睡眠模式來延長電池壽命。終端傳感器節點的結構如圖3所示。

本設計的溫濕度傳感器采用DHT11數字溫濕度傳感器，如圖4（a），這是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。單線制串行接口，信號傳輸距離可達20米以上。溫度測量范圍是0°C～+50°C，精度±2°C，濕度測量范圍20～90%RH，精度±5.0%RH[7]。DHT11與CC2530之間通過串行總線I2C進行通信，DATA三態門用于數據的讀取。DHT11上電后，經過11s時間進入休眠狀態，只有當CC2530微處理器發出測試命令后，DHT11才被喚醒進行工作[7]。

本設計的氣體傳感器采用MQ-2傳感器。該傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大[8]。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其他可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。

3 軟件實現

本設計下位機ZigBee網絡基于TI公司的Z-Stack-CC2530-2.3.0-1.4.0協議棧，利用IAR Embedded Workbench V7.60 for 8051集成開發平臺開發。當系統開始工作時，由上位機監控軟件設置串口號、波特率、校驗位等參數，開啟串口連接，下位機ZigBee網絡中的協調器上電之后將根據預先定義好的網絡編號PANID，啟動并組建ZigBee網絡，等待路由節點和終端節點的入網請求，組網后分布在各個地點的傳感器節點開始獨立采集環境信息，采集到的數據將直接或者經路由器節點間接發送到協調器節點，最終通過 RS232-USB轉換器將數據送入監控主機。在ZigBee網絡中，路由器節點相當于不能組建網絡的協調器節點，其功能模塊如處理節點綁定請求、發送綁定處理消息等功能實現和協調器類似。

安卓手機客戶端APP利用Eclipse4.4開發。各種裝有Android系統的手持設備如智能手機或PAD，在安裝本設計的安裝包后，查詢上位機所在電腦的IP地址，打開手持設備的Wi-Fi功能并連接好后，點擊網絡設置，輸入電腦IP地址后點連接，此時與協調器所連的上位機虛擬為一臺收發與存儲數據的服務器，位于同一局域網的其他智能手持設備可訪問這個服務器進行采集數據的查詢。客戶端顯示連接成功后，自動刷新數據。點擊右側小燈泡圖標，可以控制終端節點上LED燈的開關。系統的軟件流程圖如圖5。

4 測試結果

本設計在河北工程大學第三教學樓一樓服務器機房模擬環境實時監測，該系統采用四個終端節點，一個路由節點，一個協調器節點。將四個終端節點分別放置于服務器機房不同位置：機房入口、窗口、交換機底部和頂部。終端節點和路由器節點采用電池盒供電，內部包括2節7號鋰電池，協調器采用RS232-USB串口線與電腦上位機相連，電腦采用Acer宏 筆記本電腦，智能手持設備為MI3手機。系統節點實物如圖6。

打開手機WI-FI功能，將APP的網絡設置為協調器所連接電腦的IP地址，按下協調器的S1按鍵，即啟動協調器的組網功能，然后觀察手機客戶端APP測試界面如圖7，左側為溫濕度實時數據，中間綠色圖標為氣體正常顯示，右側四個小燈泡圖標表示目前四個終端節點的LED顯示燈正處于打開狀態，點擊各個小燈圖標即可使終端節點上LED燈熄滅。

兩次測試結果表明，當實驗者在機房所在樓道（距離50米內）時打開該監控APP即可查看監控實時數據。機房內部交換機頂部和底部節點的溫濕度測量值略高于機房窗口，這是由于交換機工作時產生大量的熱量。多次測量結果符合實際情況。

5 結束語

文章在TI公司的Z-Stack2007協議棧和IAR開發環境下，以CC2530芯片為硬件核心構建了一個ZigBee無線環境監測網絡，采用Eclipse4.4開發了手持設備安卓客戶端。闡述了組成無線傳感器網絡所需的終端傳感器節點、協調器節點和路由器節點的硬件設計方法及軟件流程。經實驗證明，本系統結構簡單、準確性高、功耗低，能夠滿足實際應用的誤差要求并能長時間穩定工作，具有較高的實用推廣價值。

參考文獻

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[3]張睿，王建中.基于CC2530的無線溫度傳感網絡的設計[J].杭州電子科技大學學報，2014，3：87-90.

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[10]Zigbee Sensor Monitor Software & User's Guide， Texas Instruments Inc.， Texas， US， 2008. Available： http：//www.ti.com/lit/zip/swrc096.

[11]CC2530 ZigBee Development Kit User's Guide， Texas instruments Inc.， Texas， US， 2010. Available： http：//www.ti.com/tool/cc2530zdk.

作者簡介：郭青（1988-），女，滿族，河北省秦皇島市，在讀碩士，研究方向為無線傳感器網絡。

薛亮（1982-），男，河北省邯鄲市，副教授，博士，主要從事無線傳感器網絡組網理論與關鍵性技術和無線認知網絡的研究。