基于ZigBee無線傳感網絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用*

楊瑞峰,王 雄,郭晨霞,張 鵬

(1.中北大學儀器與電子學院,太原 030051;2.山西省自動化檢測裝備與系統(tǒng)工程技術研究中心,太原 030051)

基于ZigBee無線傳感網絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用*

楊瑞峰1,2*,王 雄1,2,郭晨霞1,2,張 鵬1,2

(1.中北大學儀器與電子學院,太原 030051;2.山西省自動化檢測裝備與系統(tǒng)工程技術研究中心,太原 030051)

為了高效便捷準確的監(jiān)測環(huán)境中的溫濕度、灰塵等,提出了一種基于ZigBee協(xié)議無線傳感網絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案,利用了其低速率、低功耗、延時短、網絡存儲量大且具有自動組網和自愈功能等特點。系統(tǒng)中,硬件平臺為TI公司的CC2530主控芯片,軟件平臺基于Z-Stack協(xié)議棧標準,現場終端節(jié)點上采集到的數據,通過無線或者USB串口上傳至PC機。實驗結果表明:終端節(jié)點采集的數據準確可靠,實現了區(qū)域化數據監(jiān)測,無線化的監(jiān)測系統(tǒng)具有較好的應用前景。

無線傳感器網絡;環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng);ZigBee;CC2530;GPRS

隨著科技信息時代的發(fā)展,物聯(lián)網概念的興起,無線傳感器網絡和無線通信在很大一部分空間,得到了廣泛的應用。由于傳統(tǒng)的有線方式空間布局比較繁瑣、成本較高、維修難度較大和功耗較高等特點,傳統(tǒng)的有線才會被無線慢慢的所替代。無線傳感網絡(WSN)是由很多體積小、成本低、具有感知的能力和微型傳感器節(jié)點等模塊構成,且結合通信、計算機網絡、傳感器和嵌入式等多種先進性技術,組成了現代的新型智能網絡[1-2]。

ZigBee是一種短距離無線通信智能網絡,且比較適合應用于網絡通信之間的分布范圍要求不是很廣,數據量不是很大,數據傳輸速率相對而言較低,[3]但是對數據的可靠性、成本、延時和功耗等有要求的地方。ZigBee也是整合組建無線傳感網絡系統(tǒng)設計較多的網絡協(xié)議之一。本文提出采用基于ZigBee協(xié)議標準的無線傳感器網絡溫濕度、灰塵監(jiān)測系統(tǒng)方案,在PC機上采用LabVIEW構成監(jiān)測顯示數據的上位機平臺,實現對網絡采集的數據傳輸、存儲、和分析,從而實現真正意義上的無線環(huán)境數據實時監(jiān)測[4]。

1 系統(tǒng)工作原理與結構

本系統(tǒng)布局由現場終端節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點、路由節(jié)點、上位機監(jiān)測平臺和手機APP監(jiān)測模塊等幾個主要部分構成,其結構如圖1所示。系統(tǒng)構成的主要部分又是由集成增強型8051MCU的CC2530核心控制芯片、液晶顯示器、鍵盤模塊、數據存儲器、串口通訊模塊、各類傳感器、無線通信模塊和電源模塊組成。協(xié)調器節(jié)點將接收到的數據分析處理,然后通過無線網絡將數據發(fā)送到手機和USB串口傳輸給實時的監(jiān)測上位機平臺,對多個現場終端節(jié)點采集的數據進行實時的存儲、分析和屏幕圖像的交替顯示,達到一種很清晰的雙重效果[5]。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

圖2 CC2530最小系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 CC2530芯片模塊

系統(tǒng)中,核心控制模塊選用的是TI公司的CC2530模塊,該芯片上集成了ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM應用波段、增強型8051MCU、8 kbyte的RAM和256 kbyte的Flash存儲器,還包含MAC定時器、時鐘模塊及通定時器,具有8路輸入的12位模數轉換器(ADC),加密處理器,上電、復位和放電,看門狗定時器和通用的I/O端口。CC2530在主動發(fā)送模式時電流為29 mA,主動接收模式時電流為24 mA,其比較適合應用于超低功耗系統(tǒng)中[6]。其原理圖如圖2所示。

2.2 現場終端節(jié)點模塊

現場終端節(jié)點一選用的是SHT11數字溫濕度傳感器。其內部集成了濕度傳感器、溫度傳感器、14位的模數轉換器、信號調理、及I2C總線接口等模塊通過CC2530微處理器簡單的電路連接就能夠實時的采集本地濕度和溫度。SHT11具有溫濕度檢測精度高、抗復雜環(huán)境能力強和反應速度快等特點。

現場終端節(jié)點二選擇的是夏普第光學灰塵傳感器GP2Y1010AU0F[7]。輸出電壓可變范圍(V)=輸出電壓范圍(V)-無塵時輸出電壓(V)。可以轉換成灰塵濃度:檢出灰塵濃度范圍(mg/m3)=輸出電壓可變范圍(V)÷檢出感度(kV/(0.1 mg/m3))。測試得到的數值和空氣質量的對照:0～75非常好、75～150很好、150～300好、300～1 050一般、1 050～3 000差、3 000+很差。該灰塵傳感器可以檢測出空氣的粒子,當這些灰塵進入傳感器檢測到的范圍內時,這些灰塵顆粒物受到了光照且產生了散射,散射光進入了光元器件且轉換為電信號,經過算法處理后以電壓的方式輸出。

現場終端節(jié)點三選用的是MQ135煙霧傳感器。MQ135使用的材料是電導率比較低的二氧化錫,當其環(huán)境下存在污染氣體(氨氣、硫化物等)時,該煙霧傳感器的電導率隨著環(huán)境中污染物濃度的增加而增強。其驅動電路就可以將電導率的變化特性轉換為相應的輸出信號[8]。如表1所示。

表1 傳感器的型號及其參數

2.3 WiFi無線局域網模塊

WiFi模塊可以實現STA/AP/STA+AP 3種工作模式。本文系統(tǒng)串口轉換WiFi模塊采用的是ESP8266,其工作在AP模式。Wifi模塊ESP8266作為TCP通信的服務器端,手機是TCP通信的客戶端。手機打開WiFi無線局域網功能后,連接WiFi模塊ESP8266發(fā)射的無線熱點,手機就可以與ESP8266實現通信,達到了一種手機能夠實時查看監(jiān)測到的環(huán)境數據[9]。原理如圖3所示。

圖3 WiFi模塊電路原理框圖

2.4 GPRS數據傳輸模塊

系統(tǒng)中,GPRS數據傳輸模塊選用的是西門子生產的MC39i,它是由900 MHz/1800 MHz雙頻通信和GSM模塊構成,該模塊的性價比和穩(wěn)定性都比較好,而且還提供了數字信號傳輸、語音、短消息及其傳真,它不僅具備為用戶提供RS-232串口接口、SIM卡接口以及語音等功能,而且還具有低功耗(處于睡眠狀態(tài)時電流為3 mA)、結構簡單等特點。MC39i模塊通過串口通信與協(xié)調器相連,從而實現ZigBee監(jiān)測網絡內數據傳輸[10-11]。其結構如圖4所示。

圖4 GPRS數據傳輸模塊框架

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 ZigBee協(xié)議棧體系結構

ZigBee協(xié)議棧是由標準的開放系統(tǒng)互連模型的七層構成,但是其只定義了ZigBee協(xié)議的分層結構,ZigBee協(xié)議棧結構的物理層PHY(Physical Layer)和媒介訪問控制層MAC(Medium Access Control Sub-layer)是由IEEE 802.15.4—2003 標準定義的,在這個底層協(xié)議的基礎之上ZigBee聯(lián)盟具有網絡層NWK(Network Layer)和應用層APL(Application Layer)。ZigBee應用層是協(xié)議體系結構中的最高層,由應用層支持子層APS(Application Support Sub-layer)、應用框架AF(Application Framework)和設備對象ZDO(ZigBee Device Objects)組成,最后根據用戶定義應用程序APP(Application)[12],如圖5所示。網絡層(NWK)是ZigBee協(xié)議棧的重要核心部分,其功能包括:網絡的組建與查找、路由器和協(xié)調器節(jié)點的初始化、設備自動連接網絡、自動斷開網絡連接、設備復位功能、接收機同步數據和數據庫維護等等。在ZigBee協(xié)議結構中,經常由每一層來量化各自的標準體系。每層負責處理解決其特定的任務,并向上層提供重要的服務。

圖5 ZigBee協(xié)議棧結構

3.2 協(xié)調器節(jié)點軟件設計

協(xié)調器節(jié)點是整個傳感器網絡的主控部位,其主要負責組建網絡,允許節(jié)點請求加入網絡和短地址分配等特點,如圖6所示。

協(xié)調器上電后,由啟動代碼來初始化軟硬件模塊,然后協(xié)調器會掃描信道,查看是否新建立ZigBee網絡成功。如果成功,整個模塊就進入無線監(jiān)控模式下,當有節(jié)點請求加入網絡時,協(xié)調器會自動分配地址。最后將其新的網絡節(jié)點地址存儲處理,更新和顯示關聯(lián)設備的數據,協(xié)調器節(jié)點便接收從路由節(jié)點和傳感器節(jié)點傳送來的數據,并將其傳送到上位機,然后指令請求中斷返回,形成一個多循環(huán)實時監(jiān)測數據模式[13]。

圖6 協(xié)調器節(jié)點軟件流程圖

3.3 現在終端節(jié)點軟件設計

圖7 傳感器節(jié)點軟件流程圖

現場終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點之間通過ZigBee網絡通信,將傳感器節(jié)點采集到的環(huán)境實時數據進行整理和存儲,然后在將數據傳送給協(xié)調器節(jié)點,如圖7所示。終端節(jié)點具有數據采集、分析和存儲等功能,將采集的數據傳輸給上一級模塊。終端節(jié)點上電后,先設備初始化,查看網絡是否成功加入,然后請求加入ZigBee網絡,將網絡地址發(fā)送給協(xié)調器。新加入的節(jié)點必須通過已存在網絡中的全功能設備才能成功入網絡,在通信范圍內的全功能設備會請求加入ZigBee網絡,然后為為其節(jié)點分配一個獨一無二的ID。最后在進入休眠與喚醒采集數據之間循環(huán),低功耗工作模式[14]。

3.4 ZigBee拓撲結構

ZigBee協(xié)議網絡支持3種拓撲結構:星型網絡(star)、網型網絡(mesh)、和簇樹網絡(cluster tree)[15],如圖8所示。星型網絡拓撲結構,協(xié)調器作為主控核心處理器,路由器與現在終端設備與協(xié)調器通過網絡連接,但是在這樣的網絡結構中路由器沒有起到作用。網狀型網絡拓撲結構的節(jié)點至少要連接兩個以上的節(jié)點,通信范圍也比較廣,但是其網絡設計比較繁瑣,成本也比較高,兩者都不可取。因此本系統(tǒng)選用簇樹結構,它具備網絡的多跳自組織能力,成本比較低,能較好的滿足基本的需求。

圖8 ZigBee網絡拓撲結構

3.5 節(jié)點的低功耗軟件設計

ZigBee技術具備管理電壓的功能,所以能量損耗主要在于節(jié)點之間使用了無線通信的方式。終端節(jié)點與路由節(jié)點之間距離不遠的時候,可利用RSSI值調整到較小的發(fā)送功率能夠得到較好的通信保障,調整不同節(jié)點之間的發(fā)射功率,以免節(jié)點在固定的發(fā)射功率時造成不必要損耗。當RSSI值調節(jié)到比較大的時候,表明節(jié)點之間的通信質量不錯,可以適當地降低節(jié)點之間的發(fā)送功率,同時RSSI值也逐漸變小,所以需要一個能夠保障節(jié)點之間通信可靠性的數值[16],其結構如圖9所示。現場終端向路由節(jié)點發(fā)送功率校正的指令,當路由節(jié)點接收到返回的RSSI值時候,終端節(jié)點可以根據自己的實際情況來調整發(fā)射功率。

圖9 校正節(jié)點間的發(fā)射功率框圖

4 測試結果與分析

4.1 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)網絡性能的影響主要在于網絡吞吐量和信息傳輸延時。

(1)網絡吞吐量就是在一段時間內,網絡成功傳輸的字節(jié)數量。

平均網絡吞吐量=網絡成功傳輸數據包的字節(jié)數/總用的時間

(2)信息數據平均延時就是路由節(jié)點網絡延時時間和數據傳輸等待延時時間。

數據平均延時=∑(接收數據使用時間-傳輸數據使用時間/數據發(fā)送量)[17]

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調器、路由器和終端等部分實物模塊如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)部分實物圖

本系統(tǒng)上位機監(jiān)測平臺采用的是LabVIEW軟件制作,其上位機界面如圖11所示。上位機的功能是與協(xié)調器節(jié)點與現場終端節(jié)點進行通信,實現傳感器節(jié)點的數據分析、顯示、更新和存儲等特點。打開上位機界面后,就能看到終端節(jié)點發(fā)給協(xié)調器節(jié)點的實時數據[18]。在采集終端節(jié)點時需要設置不同的發(fā)送數據時間間隔,避免彼此之間發(fā)生干擾,然后在將各節(jié)點采集的數據存儲到數據庫中,方便以后查看數據,根據預先設定的報警溫度,設定值為28 ℃,實際值為28.6 ℃,已經超過設定值,指示燈亮。

圖11 上位機平臺界面

4.2 結果分析

系統(tǒng)監(jiān)測到的環(huán)境實時數據可能受外界的其他因素影響,為了保證采集的數據準確性,選擇操場作為實驗測試數據場地,在場地上布置了5個現場終端傳感器節(jié)點、2個路由節(jié)點和1個協(xié)調器節(jié)點,現場終端節(jié)點之間的距離不大于100m,路由節(jié)點與協(xié)調器之間的距離不大于50m,并通過USB串口或者無線GPRS與PC機相連,然后再通過上位機顯示采集的數據,終端節(jié)點每隔30s采集一次數據,測試結果如表2所示。

表2 系統(tǒng)測試結果

根據精度計算公式:

精度=(|測量值-實際值|÷實際值)Δmax×100%

得出終端節(jié)點測量的精度范圍:溫度(0.73%)、濕度(2.86%)和灰塵(2.04%)可以看出相對精確的測量值還是在合理的范圍之內。

5 結束語

基于ZigBee無線傳感網絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計方案,重點研究了系統(tǒng)的硬件設計和組建網絡軟件應用部分。利用USB串口或者無線網絡和PC機監(jiān)測平臺之間通信,通過路由節(jié)點網絡連接手機來顯示監(jiān)測的實時環(huán)境數據。測試結果表明,該系統(tǒng)能夠實現性能穩(wěn)定、低速率、低功耗、延時短和短距離傳輸等特點,其不僅能夠提供自動化程度,而且還實現區(qū)域化環(huán)境數據實時監(jiān)測,具備良好的實際應用前景。

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Design and Application of Wireless Sensor Network Environmental Monitoring System Based on ZigBee*

YANGRuifeng1,2*,WANGXiong1,2,GUOChenxia1,2,ZHANGPeng1,2

(1.School of Instrument and Electronics,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Automatic Test Equipment and System Engineering Research Center of Shanxi Province,Taiyuan 030051,China)

In order to monitor the temperature and humidity and dust in the environment effectively and conveniently,a wireless sensor network environment monitoring system based on ZigBee protocol is proposed,which has the characteristics of low rate,low power consumption,short delay,large network storage capacity,automatic network and self-healing. In the system,Hardware platform is the CC2530 main control chip of TI and software platform is based on the Z-Stack protocol stack standard. Data collected from the site of the terminal node are upload through the wireless network or USB serial port to PC. The experimental results show that the data collected from the terminal node are accurate and reliable,and it can achieve the regional data monitoring,and the wireless monitoring system has a good application prospect.

wireless sensor network;environmental monitoring systems;ZigBee;CC2530;GPRS

項目來源:山西省科技攻關項目(2015031007-1);山西省青年科技研究基金項目(2015021104)

2016-04-25 修改日期:2016-06-18

TP274

A

1005-9490(2017)03-0760-06

C:7230

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.048