基于Zigbee無線網絡傳感器工作環境監測系統的設計

李金寶

摘要：為了對工作環境進行監測，本文提出了基于Zigbee傳感器網絡的工作環境監測系統的設計。采用ARM9作為控制核心。與以往的單片機控制相比，該系統控制功能更完善和強大；氣體傳感器和溫濕度傳感器通過Zigbee傳感器網絡與控制器進行數據通信，將環境的信息傳輸給控制器，控制器經過數據分析并發出控制信號以合理控制終端裝置。

關鍵詞：工作環境 Zigbee 傳感器

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）09-0166-01

當前，精確監測工業、農業的工作環境變得十分廣泛，它對工業產品質量、農作物產量及安全起著很大的作用。嵌入式系統技術是當前一個技術熱點，并越來越廣泛的應用于工業控制、無線通信、網絡應用、消費類電子、成像和安全等領域。Zigbee協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。

1 系統總體設計方案

本遠程監控系統采用三星ARM9內核的S3C2440處理器，由溫、濕度傳感器構成整個數據采集模塊，通過Zigbee無線網絡模塊，將數據實時傳輸給處理器。處理器根據當前所處環境情況，進行專家系統分析。當達到設定條件時，控制模塊啟動相應的閘門設備。系統將采集到的環境情況顯示輸出在顯示屏上，歷史數據存儲在數據庫模塊中。整個系統主要由以下幾個模塊構成：Zigbee無線傳感器模塊，控制器模塊，數據顯示模塊和機械控制模塊。

2 無線傳感器網絡節點硬件設計

設備節點是無線傳感器網絡中網絡設備的基本單元，也是無線網絡傳感器網絡功能得以實現的基本平臺，在本系統中的無線傳感器網絡節點按功能不同可分為三類：協調器節點、路由節點和終端設備節點。

3 傳感器選型

ES2000T為特安自主研發產品，對檢測工業現場可燃氣體及有毒氣體泄漏采用分線制與報警控制器連接使用。結構設計合理并密封良好。采用RS485多種工業通用接口，可直接接入各種顯示儀表，實現環境監測。與數據采集器配合使用，可作為氣體及溫濕度定點監測或移動測量的儀器，氣體傳感器可實現復雜環境有害氣體監測。

4 系統實驗

4.1 實驗平臺搭建

軟件平臺：IAR Embedded Workbench。

硬件平臺：PC機1臺，2個終端傳感器節點，1個協調器，1個控制中心在此實驗中協調器采用持續電源供電，2個傳感器終端節點采用電池供電。

4.2 節點組網測試

將系統的硬件設備連接好，并將系統軟件程序通過CC2530仿真器將程序燒寫到傳感器終端節點和協調器節點。接下來將協調器跟計算機通過串口相連接，啟動超級終端，串口設置為COM1，波特率為38400bps，數據位8bits，無奇偶校驗位，停止位1bit。運行超級終端，可以在串口信息欄里觀察到網絡中設備節點數據傳輸的情況。

4.3 通信距離測試

將兩塊ZigBee節點模塊分別通過仿真器連接至計算機，在SmartRF Studio 7中選擇Expert Mode，再將一個節點設置為Packet TX，另一個節點為Packet RX。對芯片的發射功率進行設定，測試不同發射功率下的RSSI（Received Signal Strength Indication）、發射成功率、發射距離等。在空曠的操場上對三種不同發射功率模式，對不同距離進行信號測試，每相隔一米點擊發送節點模塊隨即發送100個數據包，待發送結束后，可在SmartRF Studio 7軟件的右下側查看到接收模塊節點數據包的接收情況。其中，RSSI（Received Signal Strength Indication）即接收的信號強度指示，可用來測試信號傳輸距離的通信質量。實驗所測RSSI值與理想的RSSI值存在著一定的偏差，但總體趨勢正確，可以用來表示無線網絡的鏈接質量。

5 結語

本系統通過Zigbee無線傳感器網絡對工作環境進行實時監控。所用的技術是當下比較先進的短距離物聯網技術。通過無線網絡可以將工作環境的實時數據傳送給主控機，用以對工作環境的溫度、濕度及有害氣體進行實時監測，節省了大量人力。同時專家系統也可以根據不同的環境因素進行不同的處理（如升溫、加濕、報警等），進一步提高了此系統的全面性及靈活性，可廣泛應用于物資倉庫、糧庫、農用大棚等環境中。

參考文獻

[1]TI，A True System-on-Chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee，2005.

[2]禹德貴，無線傳感器網絡節點設計及MAC協議研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2011.

[3]Z-Stack Application Programming Interface，Document Number：F8W-2006-0021，Texas Instruments，Inc.