基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

摘 要 溫濕度同日常生產(chǎn)、生活密切相關(guān)，對(duì)其加以采集監(jiān)測(cè)極為重要。而傳統(tǒng)有線(xiàn)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其在監(jiān)測(cè)環(huán)境與數(shù)據(jù)信息的傳輸距離上存在著一定限制，而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)及GSM通信來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度多節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。故本文就以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加以探討。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線(xiàn)傳感器 溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)探究

隨著人們對(duì)居室環(huán)境與公共場(chǎng)所舒適度的日益關(guān)注，環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)在高端家居及公共建筑等的室內(nèi)環(huán)境已成為常規(guī)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。新建筑其在設(shè)計(jì)時(shí)便對(duì)溫濕度監(jiān)測(cè)傳感器的布置點(diǎn)、信號(hào)傳輸線(xiàn)提前進(jìn)行確定與布置；而老舊建筑抑或是設(shè)計(jì)階段未對(duì)溫濕度監(jiān)測(cè)納入考慮的建筑要對(duì)其進(jìn)行溫濕度監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的有線(xiàn)檢測(cè)模式則會(huì)對(duì)內(nèi)部裝修造成破壞。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)便為該問(wèn)題的解決奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其由無(wú)線(xiàn)溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、接收模塊、監(jiān)控計(jì)算機(jī)所構(gòu)成。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各溫濕度監(jiān)測(cè)地點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，而后進(jìn)行編碼并將之發(fā)送到接收模塊，而后由接收模塊將所接收數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控計(jì)算機(jī)予以存儲(chǔ)和顯示。監(jiān)控計(jì)算機(jī)經(jīng)由3G網(wǎng)絡(luò)模塊來(lái)接入到互聯(lián)網(wǎng)，而后將所采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心。本系統(tǒng)其關(guān)鍵在于對(duì)無(wú)線(xiàn)溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和以無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程信號(hào)的傳輸。本系統(tǒng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)可被視作服務(wù)器，而客戶(hù)端則是遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)，一旦服務(wù)器接收到客戶(hù)端所發(fā)送的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，便會(huì)將所采集數(shù)據(jù)經(jīng)由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸至客戶(hù)端（遠(yuǎn)程監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)），以供監(jiān)控中心進(jìn)行調(diào)閱，達(dá)到異地、遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CC2430

采用增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，性能高，電源管理模式具有可選擇性，可對(duì)系統(tǒng)的工作模式進(jìn)行靈活配置以促使功耗得以降低；處于休眠模式時(shí)期電流消耗低至0.9μA，而處于待機(jī)模式時(shí)期電流消耗則低于0.6μA；以CC2430為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)所需外圍電路較少便可完成數(shù)據(jù)采集與發(fā)送，使系統(tǒng)可靠性得以提高，功耗得以降低。

2.2 傳感器

本系統(tǒng)選擇SHT71數(shù)字型為大氣溫濕度傳感器，其工作電流：550μA，其待機(jī)時(shí)僅需0.3μA電流；溫濕度測(cè)量精度：±0.3攝氏度、≤1.8%；接口：21C。選擇ISI29010數(shù)字型為光照強(qiáng)度傳感器，其工作電流：0.25mA，其待機(jī)電流：0.1μA；其測(cè)量精度：±50lux；接口：21C。選擇SLST1-5數(shù)字型為土壤溫度傳感器，其測(cè)量電流：1.5mA；其待機(jī)電流：1μA；其測(cè)量精度：±0.5攝氏度；接口：?jiǎn)慰偩€(xiàn)。選擇H550數(shù)字型為二氧化碳傳感器，其工作電流：15mA；其精度：±30ppm；接口：21C。選擇FDS100模擬型為土壤濕度傳感器，其工作電流：15mA；精度：≤3%；輸出：模擬信號(hào)。

2.3 ZigBee通信協(xié)議

該協(xié)議復(fù)雜度低、距離近、功耗低、速率低、成本低，可對(duì)能量進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)鏈路質(zhì)量進(jìn)行指示，設(shè)備可依據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)發(fā)射功率自動(dòng)加以調(diào)整，在通信鏈路質(zhì)量得以確保的基礎(chǔ)上設(shè)備能好達(dá)到最低。本系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)包括路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，分別完成數(shù)據(jù)的采集與匯聚等功能。在節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)ZigBee協(xié)議棧所提供的API函數(shù)的調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理層設(shè)備的初始化、網(wǎng)絡(luò)配置與啟動(dòng)，使分布于各溫室中無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自組網(wǎng)絡(luò)。為實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)功耗的進(jìn)一步降低，本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了靈活、定時(shí)休眠與喚醒、可動(dòng)態(tài)配置等相關(guān)功能的設(shè)計(jì)。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 ZigBee協(xié)調(diào)器

本設(shè)計(jì)通過(guò)ZigBee協(xié)議將傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集的全部數(shù)據(jù)匯聚至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，故本設(shè)計(jì)將ZigBee協(xié)調(diào)器加點(diǎn)嵌入網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并經(jīng)由串口同網(wǎng)關(guān)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

3.1.2 MC39i

MC39i對(duì)GSM900與GSM1800雙頻網(wǎng)絡(luò)均支持，其接手速率每秒可達(dá)到86.20kb，其發(fā)送速率每秒可達(dá)到21.5kb，對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)小數(shù)據(jù)傳輸量要求完全滿(mǎn)足。

3.1.3 通用外圍接口

該接口網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)擴(kuò)展能力較強(qiáng)，其帶觸摸屏LCD用于網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)信息的交互；USB接口則可外接鍵盤(pán)、鼠標(biāo)等；SD卡可發(fā)揮拓展存儲(chǔ)器的作用；而RJ45接口使網(wǎng)關(guān)得以接入到以太網(wǎng)。

3.1.4 電源

變壓器將市電（220V）降至12V直流電，以此為網(wǎng)關(guān)主電源；以12V蓄電池為系統(tǒng)備用電源，以確保電源的不間斷，斷電時(shí)系統(tǒng)仍可繼續(xù)正常運(yùn)行。

3.2 網(wǎng)關(guān)管理系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)以流式套接字來(lái)確保IP/TCP協(xié)議Socke網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)現(xiàn)。SQLite體積小、高效快速、移植簡(jiǎn)便、可開(kāi)源。故本設(shè)計(jì)以SQLite為基礎(chǔ)軟件來(lái)完成環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理軟件，以此來(lái)管理傳感器節(jié)點(diǎn)與環(huán)境數(shù)據(jù)。

3.2.1 節(jié)點(diǎn)管理

由于監(jiān)測(cè)區(qū)域無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量及類(lèi)型存在較大差異，故需對(duì)其加以統(tǒng)一管理。節(jié)點(diǎn)管理主要有節(jié)點(diǎn)電量/位置/ID、采樣周期、傳感器類(lèi)型、運(yùn)行狀態(tài)及更新時(shí)間等相關(guān)屬性的配置。

3.2.2 數(shù)據(jù)管理及預(yù)警

SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)網(wǎng)關(guān)所接收的周期性環(huán)境信息進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢(xún)等相關(guān)管理；還需對(duì)寫(xiě)入數(shù)據(jù)可各個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)加以判斷，一旦室溫超過(guò)管理人員所設(shè)置安全范圍，警報(bào)器、GSM短信、閃光燈等預(yù)警方式便會(huì)啟動(dòng)。

4 總結(jié)

本文就以無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，本設(shè)計(jì)中以SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)各類(lèi)傳感器節(jié)點(diǎn)及大量溫濕度數(shù)據(jù)的有效管理；此外，系統(tǒng)還可進(jìn)行閃光燈、警報(bào)器及GSM短信警報(bào)，以無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程、低成本低功耗、靈活友好為主要特點(diǎn)，以期為無(wú)線(xiàn)傳感器溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的盡早開(kāi)發(fā)提供有益參考。

參考文獻(xiàn)

[1]劉卉，汪懋華，王躍宣，等.基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008（3）：604-605.

[2]莫小錦，周?chē)?yán).基于射頻技術(shù)與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的溫濕度遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011（10）：1503.

[3]李麗華，于堯，陳輝，等.基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的雞舍溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（1）：126，131.

作者簡(jiǎn)介

李云龍（1983-），男，江蘇省徐州市人，碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要從事運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、PLC控制應(yīng)用等研究工作。

作者單位

天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津市 300350