基于無線傳感網(wǎng)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

俞宗佐，郭改枝

（內(nèi)蒙古師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022）

基于無線傳感網(wǎng)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

俞宗佐，郭改枝

（內(nèi)蒙古師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010022）

文章采用ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)組織無線傳感網(wǎng)，將CC2530作為ZigBee模塊的硬件核心，用高精度數(shù)字式溫度傳感器DHT11進(jìn)行溫度采集，選用ARM芯片Intel Xscale pxa270作為上位機(jī)核心處理器，設(shè)計(jì)了實(shí)時、高效的小型無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整，可擴(kuò)展性強(qiáng)，與同類產(chǎn)品相比，性能更加穩(wěn)定，使用更加靈活。

無線傳感網(wǎng)；溫度監(jiān)測；ZigBee；CC2530

隨著微電子技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。在工業(yè)生產(chǎn)中，采集工業(yè)現(xiàn)場的工藝參數(shù)反饋給用戶或控制系統(tǒng)，可以為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中最普遍、最重要的工藝參數(shù)之一。目前，隨著工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步，需要溫度監(jiān)測的場合越來越多，對溫度監(jiān)測技術(shù)的要求也越來越高。在一些地形條件復(fù)雜、腐蝕性高、建筑群、爆炸等場合，或者被監(jiān)測對象處于運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)等情況下，傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)由于布線復(fù)雜甚至無法布線顯得無能為力，無線監(jiān)測系統(tǒng)顯示出了顯著的優(yōu)勢。然而當(dāng)前市面上流行的多數(shù)無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)都存在通信距離受限、無線通信質(zhì)量差、測量結(jié)果不穩(wěn)定等缺陷。本文將近年來發(fā)展迅猛的無線傳感網(wǎng)技術(shù)與嵌入式信息處理技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)出一款便攜式、低功耗、性能更好的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。

無線傳感網(wǎng)（Wireless Sensor Network, WSN）是由靜止或移動的傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以協(xié)作感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給觀察者[1]。無線傳感網(wǎng)技術(shù)目前已比較成熟，其無線信號的傳輸性能相當(dāng)穩(wěn)定，它的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利[2]。

本文介紹一種基于ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感網(wǎng)組織方式，用于探測和傳輸環(huán)境溫度信息，管理中心采用集成Windows CE 6.0操作系統(tǒng)的嵌入式處理器，用圖形化界面顯示監(jiān)測結(jié)果。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)完整、功能可擴(kuò)展，適用于氣象、環(huán)保、動物研究、精細(xì)農(nóng)業(yè)等多種應(yīng)用場合。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由終端設(shè)備、協(xié)調(diào)器和上位機(jī)3部分組成[3]。終端設(shè)備（傳感器節(jié)點(diǎn)）放置在待監(jiān)測位置，監(jiān)測環(huán)境溫度；協(xié)調(diào)器首先建立無線網(wǎng)絡(luò)并允許終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，并將傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的溫度信息經(jīng)串口送至上位機(jī)；上位機(jī)調(diào)用顯示程序?qū)囟刃畔⒁詳?shù)據(jù)和圖形方式顯示在液晶屏上。

2 無線傳感網(wǎng)構(gòu)建

系統(tǒng)中的傳感網(wǎng)部分采用ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建。ZigBee是一種新興的低成本、小體積、低功耗無線通信技術(shù)。它延時短，安全性強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)容量高，且工作在免執(zhí)照頻段2.4 Ghz，無需網(wǎng)絡(luò)租用費(fèi)用。在硬件安排上，本著減少設(shè)計(jì)復(fù)雜度及提高通信系統(tǒng)穩(wěn)定性的原則，選用TI公司的CC2530芯片作為ZigBee的硬件解決方案。

ZigBee模塊可分為：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，該系統(tǒng)僅使用了協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備。終端設(shè)備上集成了傳感器DHT11，用來采集環(huán)境溫度并將其轉(zhuǎn)換為40 bit數(shù)字信號串行輸出給終端模塊的控制器CC2530芯片。協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)后，溫度信息將通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給協(xié)調(diào)器。在實(shí)際應(yīng)用中，如果需要多個溫度采集節(jié)點(diǎn)，或終端設(shè)備與上位機(jī)距離很遠(yuǎn)時，在已有網(wǎng)絡(luò)中簡單地添加路由器和終端設(shè)備即可[4]，非常易于擴(kuò)展。

協(xié)議棧的選擇對于網(wǎng)絡(luò)傳輸性能影響很大，該系統(tǒng)選用了當(dāng)前比較流行的Z-Stack協(xié)議棧。Z-Stack使用操作系統(tǒng)的思想構(gòu)建，采用事件輪循機(jī)制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式。如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。這種軟件構(gòu)架可以極大地降級系統(tǒng)的功耗。

整個Z-stack的主要工作流程可以大致分為系統(tǒng)啟動，驅(qū)動初始化，OSAL初始化和啟動，進(jìn)入任務(wù)輪循幾個階段。

3 ZigBee模塊程序設(shè)計(jì)

CC2530程序采用C語言在IAR平臺下編寫。

終端設(shè)備負(fù)責(zé)采集溫度信息并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。程序開始執(zhí)行后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括相關(guān)變量初始化，ZigBee相關(guān)寄存器和I/O口初始化以及其他硬件初始化等。初始化完成后，向協(xié)調(diào)器請求加入網(wǎng)絡(luò)，若請求失敗則繼續(xù)請求，若請求加入成功，則進(jìn)行溫度采集，為了使結(jié)果更準(zhǔn)確，采用多次采集取平均值的方法，然后將所得數(shù)據(jù)打包，再通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。程序流程如圖1所示。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)并與終端設(shè)備建立通信，接收溫度信息。程序流程如圖2所示。

圖1 終端設(shè)備程序流程圖

圖2 協(xié)調(diào)器程序流程圖

4 上位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的上位機(jī)部分采用ARM處理器Intel Xscale pxa270芯片配合外圍液晶顯示電路、RS-232串行接口標(biāo)準(zhǔn)電路和電源電路組成。采用Windows CE 6.0嵌入式操作系統(tǒng)，在定制操作系統(tǒng)時，首先要移植一個板級支持包（BSP），主要是對硬件功能的軟件抽象。因?yàn)樾枰M(jìn)行串口通信，特別要添加Serial Port Support（串口支持）功能。

在配套的VS2005開發(fā)環(huán)境下采用C++語言編寫上位機(jī)程序。上位機(jī)程序主要包括串口通信程序和屏幕顯示程序[5]。其中屏幕顯示程序主要依靠VS2005環(huán)境下的MFC界面化編程，比較簡單，在此不再敘述。串口通信程序完成ARM芯片從串口接收數(shù)據(jù)的過程，是通過串口驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)的。

4.1 打開串口設(shè)備

應(yīng)用程序通過應(yīng)用編程接口函數(shù)CreatFile()來創(chuàng)建、打開或修改一個文件，而所有的設(shè)備都被抽象為文件，所以這里的串口設(shè)備也被當(dāng)作文件一樣打開。CreatFile()函數(shù)返回一個設(shè)備句柄（標(biāo)志了某個設(shè)備），在以后訪問該設(shè)備時就要利用這個設(shè)備句柄。

在打開串口通信設(shè)備時要指定其相應(yīng)通信參數(shù)。對于串口通信，要設(shè)置的參數(shù)有如波特率、數(shù)據(jù)幀格式（如一次傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，是否使用奇偶校驗(yàn)等）、收發(fā)超時等參數(shù)。這些參數(shù)被包含在結(jié)構(gòu)體DCB中。在Windows CE應(yīng)用程序中，可以通過函數(shù)SetCommState()來設(shè)置設(shè)備的通信參數(shù)。SetCommState()的原型如下：

4.2 應(yīng)用程序從串口讀數(shù)據(jù)

應(yīng)用程序通過ReadFile()函數(shù)從文件中讀取數(shù)據(jù)。串口控制應(yīng)用程序中，用函數(shù)WaitCommEvent()來監(jiān)控串口設(shè)備，如果串口設(shè)備有事件發(fā)生并且是在緩沖區(qū)中接收到了字符，那么就通過ReadFile()函數(shù)調(diào)用串口驅(qū)動從串口緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)。

函數(shù)SetCommMask()用來設(shè)置與設(shè)備通信時監(jiān)控的事件類型，比如監(jiān)控到串口接受緩沖區(qū)中接收到數(shù)據(jù)，就是一個事件。函數(shù)SetCommMask()用來清除與設(shè)備通信時發(fā)生的錯誤，并且可以返回設(shè)備狀態(tài)。

4.3 應(yīng)用程序往串口寫數(shù)據(jù)

應(yīng)用程序通過WriteFile()函數(shù)調(diào)用串口驅(qū)動的寫串口函數(shù)。WriteFile()函數(shù)原型如下：

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

經(jīng)過前端溫度采集得到的溫度信息經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送至協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器送入以ARM處理器為核心的上位機(jī)。

在不同環(huán)境下多次應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行溫度測量，并與高靈敏度溫度計(jì)測量結(jié)果相比較，結(jié)果如表1所示。

表1 測量結(jié)果對比

測量結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量結(jié)果準(zhǔn)確、誤差小，在不同環(huán)境下性能穩(wěn)定。測試中也發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，在環(huán)境溫度變化時，幾乎與高靈敏度溫度計(jì)同時得到測量結(jié)果，實(shí)時性好；并且由于該系統(tǒng)體積小、攜帶方便，且無線通信方式?jīng)]有鋪設(shè)線纜的要求和約束，在更換應(yīng)用場合時，非常容易實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)語

本文介紹了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計(jì)時充分考慮了系統(tǒng)的實(shí)用性和可擴(kuò)展性，實(shí)際應(yīng)用中如果需要多個遠(yuǎn)距離溫度采集節(jié)點(diǎn)時，只需在已有網(wǎng)絡(luò)中簡單地添加所需的路由器和終端設(shè)備即可。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，與目前市場上的同類產(chǎn)品相比，該系統(tǒng)實(shí)時性好，使用靈活，溫度顯示直觀、精確，方便實(shí)用。

[1]王汝傳，孫力娟.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)導(dǎo)論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[2]ANDREY S, ALEXANDER B, DENIS S. Deployment and evaluation of a wireless sensor network for methane leak detection [J]. Sensors and Actuators A：Physical，2013（1）：217-225.

[3]YANG W, KE L, MINZAN L,et al.The Wireless Intelligent Controller of Greenhouse Based on ZigBee[J].Sensor Letters, 2013（11）：1321-1325.

[4]HONGQUAN P, JUN Y, ZHANG XIAO, et al. A Survey on ZigBee Network Technology Research[J].Computer Systems & Applications, 2013（9）：6-11.

[5]郭忠南.基于ZigBee的智能家居上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2014（5）：26-29.

Design of temperature monitoring system based on wireless sensor network

Yu Zongzuo, Guo Gaizhi
（Computer and Information Engineering College of Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China）

This paper uses wireless sensor network of ZigBee protocol standards organizations, and uses CC2530 as the hardware core of Zigbee module, uses DHT11, the high precision digital temperature sensor to collect temperature, the ARM chip Intel Xscale PXA270 as the host computer core processor, designing real-time, small wireless temperature monitoring system with high efficiency. The system structure is complete, which can be strong expansion, and compares with similar products, the performance is more stable and flexible to use.

wireless sensor network; temperature monitoring; ZigBee; CC2530

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目；項(xiàng)目編號：2015MS0623。內(nèi)蒙古師范大學(xué)科研基金項(xiàng)目；項(xiàng)目編號：2014ZRYB06。

俞宗佐（1983— ），女，河北秦皇島，碩士，講師；研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。