基于ZigBee技術的可組網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

劉培學++陳玉杰++姜寶華++劉樹美

摘 要： 針對傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)布線復雜且監(jiān)測點不易移動、數(shù)據(jù)傳輸速率慢等多種問題，設計一種基于ZigBee協(xié)議的可組網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用SHT11傳感器采集環(huán)境溫濕度信息，基于ZigBee網(wǎng)絡傳遞采集的信息，通過4G網(wǎng)絡遠傳到監(jiān)控中心存儲記錄，介紹了系統(tǒng)的整體構成，對系統(tǒng)的協(xié)調器、終端節(jié)點、軟件設計、數(shù)據(jù)矯正等做了詳細的分析，并對系統(tǒng)進行了嚴格的測試，測試結果表明，該系統(tǒng)能夠準確地完成采集并具有較小的誤差，適合實驗室、檔案室、食品儲存、冷鏈環(huán)境等多種場合，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞： 環(huán)境監(jiān)測； ZigBee； 數(shù)據(jù)遠傳； 組網(wǎng)

中圖分類號： TN915.4?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）21?0019?04

Design of networking environment monitoring system based on ZigBee technology

LIU Peixue1， 2， CHEN Yujie1， JIANG Baohua1， LIU Shumei1

（1. Qingdao Huanghai College， Qingdao 266427， China； 2. China University of Petroleum， Qingdao 266580， China）

Abstract： The traditional environmental monitoring system has the problems of complex wiring and low data transmission rate， and its monitoring points are difficult to move， so a networking environment monitoring system based on ZigBee protocol is designed. The environmental temperature and humidity information is collected by SHT11 sensor， transmitted through ZigBee network， and sent to the monitoring center via 4G network for storage and recording. The whole composition of the system is introduced. The coordinator， terminal node， software design and data correction of the system are analyzed in detail. The system was tested strictly. The test results show that the system can accurately acquire the information with small error， is suitable for the occasions of laboratory， archive room， food storage and cold chain environments， and has wide application prospect.

Keywords： environmental monitoring； ZigBee； remote data transmission； networking

0 引 言

2016年3月，山東爆發(fā)了非法疫苗案，涉案總價值達到5.7億元，疫苗沒有經(jīng)過冷鏈存儲便銷往全國各地，引起了社會極大的反響。早在 2013年，國家就根據(jù)《藥品經(jīng)營質量管理規(guī)范》及《藥品經(jīng)營質量管理規(guī)范實施細則》制定了GSP認證要求，其中明確規(guī)定必須對藥品存儲環(huán)境進行連續(xù)監(jiān)控。環(huán)境是工農業(yè)生產中最重要的參數(shù)，食品藥品的倉儲運輸、溫室農業(yè)大棚及畜牧養(yǎng)殖、檔案室、資料室等都對環(huán)境有著特殊的要求，尤其是工業(yè)生產中的精密儀器，如果環(huán)境參數(shù)不合適，將會極大影響設備的使用壽命。隨著人們生活水平的提高，人們對居住環(huán)境的要求也越來越高，因此，對環(huán)境的測量監(jiān)控具有十分重要的意義[1]。

傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要存在著兩大缺點：一是傳感器采用的是模擬傳感器，要得到控制器需要的數(shù)字信號需經(jīng)過復雜的信號調理電路及模數(shù)轉換電路，且通常情況下模擬傳感器需要校準、標定，過程繁瑣；二是檢測方式大多為有線檢測，布線復雜且監(jiān)測點不易移動，同時，大部分測量數(shù)據(jù)只能在本地觀測存儲，浪費了大量的人力物力。文獻[2]利用FPGA及傳感器SHT21設計了一種環(huán)境測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)反應迅速、精度高，但是該系統(tǒng)電路較復雜；文獻[3]利用nRF905射頻收發(fā)芯片，結合DS18B20溫度傳感器及HS1101設計了一種無線環(huán)境測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)采集信息的無線傳輸，與PC機通信采用232方式，但該系統(tǒng)測量精度不高且監(jiān)測點不易移動；文獻[4]基于ARM控制器及ZigBee網(wǎng)絡設計的系統(tǒng)提出一種很好的環(huán)境溫濕度PID控制方式，但是該系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能夠遠傳；文獻[5]基于ZigBee網(wǎng)絡及GPRS傳輸設計的遠程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自組織路由及遠程傳輸，但是GPRS存在傳輸速率較慢、誤碼率較高等缺點。總體而言，目前國內外很多環(huán)境信息采集系統(tǒng)已經(jīng)可以采用GPRS進行遠程傳輸，少部分研究成果采用3G技術，由于4G牌照剛剛頒發(fā)，所以采用4G技術的遠程傳輸目前還沒有相關研究報道，ZigBee網(wǎng)絡在本地環(huán)境數(shù)據(jù)采集中已經(jīng)證明了其高效性。目前尚未見ZigBee網(wǎng)絡與4G傳輸相結合應用到環(huán)境信息采集的報道。隨著ZigBee技術、4G技術、傳感器技術等各種技術的發(fā)展成熟，實現(xiàn)整個環(huán)境信息采集的信息化及自動化，必然是下一步的發(fā)展趨勢。本文正是基于上述系統(tǒng)存在的缺點及4G技術、ZigBee技術發(fā)展現(xiàn)狀，提出設計一種高速、可遠傳、自組織路由環(huán)境測量系統(tǒng)。endprint

1 系統(tǒng)構成

系統(tǒng)結構如圖1所示，主要由服務器、協(xié)調器、終端節(jié)點三部分組成。網(wǎng)絡拓撲結構采用星型結構，終端節(jié)點負責環(huán)境信息的采集并通過ZigBee網(wǎng)絡上傳至協(xié)調器，協(xié)調器負責信息的接收并通過4G網(wǎng)絡上傳到服務器，服務器完成信息的云端接收、存儲，同時服務器可向協(xié)調器發(fā)送控制命令。終端節(jié)點采集到環(huán)境信息后首先將信息打包成ZigBee協(xié)議包，隨后以多跳通信的方式將協(xié)議包傳送給協(xié)調器，協(xié)調器收到協(xié)議包后需發(fā)送一個確認信息給終端，雙方完成握手以保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，如果終端節(jié)點收不到確認信息，則終端節(jié)點會重新發(fā)送協(xié)議包。

2 硬件設計

2.1 終端節(jié)點設計

終端節(jié)點又被稱作RFD節(jié)點（Reduce Function Device），本次設計主要完成環(huán)境溫濕度信息的采集、處理、傳送工作。終端節(jié)點包含有ZigBee模塊和傳感器，本次設計中，ZigBee模塊采用CC2530，傳感器使用數(shù)字傳感器SHT11。CC2530是TI公司的第二代片上系統(tǒng)[6]，CC2530支持2.4 GHz IEEE 802.15.4，硬件包含ZigBee RF收發(fā)機及一個增強的51MCU，在接收、發(fā)射過程中電流極低，因此，電池能保證使用較長時間。較之第一代產品，CC2530在RF性能、IR電路等各個方面表現(xiàn)更好。SHT11芯片采用CMOSen技術，體積較小，在芯片內部包含了信號放大電路、信號調理電路、模數(shù)轉換電路及接口電路，輸出數(shù)據(jù)格式為TTL電平，可由微控制器直接采集，SHT11響應速度極快，抗干擾能力較強，SHT11分辨率最高溫度為14位，相對濕度為12位，精度通過寄存器可以進行配置，降低精度，可對-40～123.8 ℃溫度進行測量，測量的原理為首先由傳感器測量環(huán)境數(shù)據(jù)，測量的信號經(jīng)過信號調理電路進入A/D轉換，轉換后的結果通過接口電路以二線制方式輸出。

圖2為CC2530與傳感器連接圖，從圖中可以看出，SHT11傳感器的第3腳時鐘端與控制器CC2530的P1.4引腳相連，傳感器的第2腳與控制器CC2530的P1.5相連，SHT11電源和地之間并聯(lián)一個0.1 μF的電容，SCK引腳上接一10 kΩ的上拉電阻。

2.2 協(xié)調器設計

協(xié)調器節(jié)點又稱為FFD節(jié)點（Full Function Device），主要負責RFD節(jié)點信息的采集、匯總、信息顯示、上報及服務器信息的下發(fā)，協(xié)調器節(jié)點主要由CC2530控制器、4G模塊、存儲器、顯示、時鐘等模塊組成。協(xié)調器結構圖如圖3所示。

CC2530作為整個協(xié)調器的控制芯片，4G模塊負責協(xié)調器與服務器的信息遠程通信，在本次設計中4G模塊采用沃興科技出產的LM114A，該模塊采用Mini PCI?E接口，采用業(yè)界領先的Qualcomm 9X15平臺，支持4G時分雙工Band38，Band39，Band40及頻分雙工Band7，同時兼容TD?SCDMA，以及GSM：900/1 800 MHz，最大理論上下行數(shù)據(jù)傳輸率可達到100/50 Mb/s，LM114A模塊開發(fā)方式靈活、接口豐富，可通過USB 2.0，UART，I2C，I2S和SPI等方式與主機相連，內置TCP/IP和UDP/IP協(xié)議棧，靈活性強，易于集成。LM114A是一款工業(yè)級芯片，可在高溫高濕、電磁干擾等惡劣的工作環(huán)境中長期工作，能夠滿足本次設計需要。同時，本次設計中，信息除上報服務器外，還需要本地顯示，因此，采用LCD12864作為顯示器，利用ATMEL公司的24C02作為信息暫時存儲芯片，利用DS1302作為時鐘芯片。

3 軟件設計

本系統(tǒng)結合4G技術、ZigBee技術，能夠完成對環(huán)境信息的遠程監(jiān)控傳輸?shù)纫幌盗泄δ埽到y(tǒng)軟件根據(jù)硬件設計分為終端節(jié)點軟件、協(xié)調器軟件及上位機軟件。

3.1 終端節(jié)點軟件設計

終端節(jié)點負責環(huán)境信息的采集及上報，環(huán)境信息的感知主要由SHT11來完成，SHT11時序圖如圖4所示，采集開始時，首先必須由主機發(fā)送啟動命令，具體操作方法為：主機將SCK引腳置為高，數(shù)據(jù)引腳DATA由高置低，隨后，主機將SCK引腳置為低，數(shù)據(jù)引腳DATA由低置高。啟動命令發(fā)送完成后，主機發(fā)送控制命令，包含3個地址位和5個命令位，如果SHT11接收命令正確，SHT11會在第8個時鐘之后，將數(shù)據(jù)位拉低，此時，SHT11可以傳送溫濕度信息。終端節(jié)點軟件整體流程如圖5所示，如果SHT11將數(shù)據(jù)準備好，CC2530就會采集數(shù)據(jù)，如果定時時間到或者協(xié)調器有命令需要進行數(shù)據(jù)上報，終端節(jié)點就上報數(shù)據(jù)。

3.2 協(xié)調器軟件設計

協(xié)調器橋接了上位機及ZigBee局域網(wǎng)，一方面，協(xié)調器接收上位機的命令進行處理，另一方面接收ZigBee局域網(wǎng)上傳的溫濕度信息，協(xié)調器工作流程如圖6所示。

系統(tǒng)上電后進行初始化，初始化主要包含顯示初始化、串口初始化、1302初始化及中斷初始化等，顯示初始化主要是LCD12864的初始化，包含清屏、光標顯示方式等一系列指令，串口初始化主要是串口波特率的設置，通過配置定時計數(shù)器的溢出速率來完成，1302初始化主要完成時鐘的初始配置，中斷初始化主要完成定時中斷、串口中斷的配置。初始化完成后，系統(tǒng)循環(huán)檢測是否收到無線節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)，在校驗正確的情況下進行暫時存儲，如果參數(shù)超標則進行報警。當有中斷發(fā)生時，如果是串口中斷，則為上位機發(fā)來的命令，協(xié)調器解析并執(zhí)行；如果是上報指令，則協(xié)調器將暫時存儲的信息通過4G網(wǎng)絡上報到服務器；如果是定時中斷，則定時時間到，協(xié)調器也需要通過4G網(wǎng)絡向上位機發(fā)送采集的信息。需要注意的是，由于傳感器的非線性及溫度對采集結果的影響，必須對采集的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)進行矯正[7]，其中濕度數(shù)據(jù)必須進行非線性校正及溫度補償，非線性校正公式如下：

[RHlinear=C1+C2×SORH+C3×SO2RH（%RH）] （1）endprint

式中：進行非線性補償后的值為[RHlinear]；SHT11工作手冊給定了[C1，C2，C3]的選取方法；[SORH]為終端節(jié)點從傳感器讀來的原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過非線性校正后，由于實際溫度與測試參考溫度25 ℃有顯著差別，應考慮濕度傳感器的溫度修正。溫度修正計算公式為：

[RHtrue=（T-25）×（T1+T2×SORH）+RHlinear] （2）

式中：[RHtrue]為最終計算出的相對濕度值；[T]為實際當前溫度值；[T1，T2]的具體數(shù)值由SHT11芯片手冊給出。SHT11測量的溫度值修正公式為：

[T=D1+D2×SOT] （3）

式中：[T]為實際溫度值；[SOT]是SHT11輸出的溫度值，SHT11工作手冊給出了[D1，D2]如何選取。

4 系統(tǒng)測試

本文系統(tǒng)進行了兩方面測試：環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)偏差測試及通信成功率測試。

4.1 數(shù)據(jù)偏差測試

數(shù)據(jù)偏差測試由專業(yè)檢測機構華測檢測技術股份有限公司給出，測試報告如圖7，圖8所示。使用的標準計量器具為C?180/40恒溫恒濕箱及精密露點儀，本次測試包含1個協(xié)調器及2個終端節(jié)點，從測試報告可以看出，溫度示值誤差集中在0.1 ℃及0.2 ℃之間，最高不超過0.4 ℃，在20 ℃情況下，濕度示值誤差在3%RH左右，數(shù)據(jù)具有較高的一致性，完全滿足倉儲等環(huán)境監(jiān)測需要。

4.2 通信成功率測試

設備的通信可靠性利用通信成功率來衡量，通信成功率定義為：

[η=mn?T1T2×100%] （4）

式中：[m]表示接收數(shù)據(jù)的次數(shù)；[n]表示實際傳輸次數(shù)；[T1]表示發(fā)送數(shù)據(jù)間隔；[T2]表示實際存儲記錄時間間隔。

在沒有中繼器情況下，將設備分別在空曠地帶、冷庫、移動汽車三種情況下進行測試，終端節(jié)點到協(xié)調器的距離分別為20 m，50 m，100 m，150 m，200 m，進行5組測試，測試結果如圖9所示。

從圖9中的數(shù)據(jù)可以看出，在通信距離不超過100 m的情況下，三種環(huán)境的通信成功率均為100%，隨著通信距離的增加，冷庫環(huán)境的復雜性及車輛的移動開始影響通信成功率，但在200 m距離情況下，通信成功率仍在92%以上，具有較好的抗干擾性。

5 結 語

本文基于4G技術、ZigBee網(wǎng)絡技術，設計了一種環(huán)境溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了環(huán)境信息的無線采集，系統(tǒng)完全滿足國家GSP認證要求且成本低廉，無線傳輸無需復雜布線，大大提高了效率，同時，該系統(tǒng)可以很方便地與其他上位機系統(tǒng)或BS架構的Web系統(tǒng)集成[8]，適合各類需要監(jiān)測環(huán)境信息的場合如食品藥品存儲、機房數(shù)據(jù)中心、自動化大棚等使用，該系統(tǒng)必將會得到廣泛的應用。

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