基于CC2530與CC3200的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡俊豪 曹廣忠 彭業(yè)萍 周受欽

摘 ?要： 為了更靈活地實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度、煙霧濃度值、室內(nèi)人數(shù)等環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控與存儲管理，設(shè)計(jì)一種基于CC2530與CC3200的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。以CC2530為核心處理單元，通過終端節(jié)點(diǎn)對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，利用ZigBee協(xié)調(diào)端建立星型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳送，并采用RS 232串口通信方式將ZigBee協(xié)調(diào)器分別與上位機(jī)和CC3200進(jìn)行通信。最終上位機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與存儲，CC3200對接收到的數(shù)據(jù)通過WiFi的形式上傳到Web服務(wù)器，從而為用戶對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與存儲提供更好的途徑。

關(guān)鍵詞： 室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測; 數(shù)據(jù)存儲管理; 數(shù)據(jù)采集; 星型網(wǎng)絡(luò); 數(shù)據(jù)上傳; 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN931+.3?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）10?0071?04

Design of indoor environment monitoring system based on CC2530 and CC3200

CAI Junhao1，2， CAO Guangzhong1， PENG Yeping1， ZHOU Shouqin2

（1. Shenzhen Key Laboratory of Electromagnetic Control， Shenzhen University， Shenzhen 518060， China;

2. CIMC Intelligent Technology Company Limited， Shenzhen 518067， China）

Abstract： An indoor environment monitoring system based on CC2530 and CC3200 is designed to realize real?time monitoring and storage management of indoor air temperature， air humidity， smoke concentration， indoor population and other environment parameters. The indoor environment parameters are collected in real time by means of the terminal nodes and the core processing unit CC2530. The ZigBee coordinating end is used to build a star network for wireless transmission of data. The ZigBee coordinator is connected to the upper computer and CC3200 respectively for communication by using the RS?232 serial port communication mode. The upper computer is used to conduct real?time monitoring and storage of the received data， and the CC3200 is used to upload the received data to the Web server by means of the WiFi， so as to provide a better way for users to monitor and store the indoor environment parameters.

Keywords： indoor environment monitoring; data storage management; data acquisition; star network; data upload; system design

0 ?引 ?言

隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，人們對室內(nèi)環(huán)境重視程度越來越高，但是環(huán)境污染日趨嚴(yán)峻，使得室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測變得更加重要。傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測主要分為人工離線操作和在線監(jiān)測兩種途徑，人工離線操作需操作人員現(xiàn)場對室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，不能實(shí)時(shí)對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測;在線監(jiān)測通常采用有線方式，該方式需布線，維護(hù)成本較高，不利于普及[1]。針對上述情況，無線通信技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用被廣泛提出。文獻(xiàn)[2] 利用ZigBee技術(shù)和GPRS通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程傳輸與監(jiān)測，文獻(xiàn)[3]基于Gainspan平臺利用WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，文獻(xiàn)[4]利用NRF24L01射頻組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)對糧倉環(huán)境參數(shù)監(jiān)測。

通過以上無線通信技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的探索，借鑒前人的研究經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了基于CC2530與CC3200的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且能將數(shù)據(jù)上傳至Web服務(wù)器進(jìn)行存儲，方便用戶對數(shù)據(jù)監(jiān)控與管理。

1 ?系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)主控芯片采用德州儀器公司生產(chǎn)的CC253x系列的控制器——CC2530F256。該芯片使用8051內(nèi)核，建立在適應(yīng)2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上，CC2530F256內(nèi)置RF收發(fā)器，8 KB靜態(tài)隨機(jī)存儲器。256 KB的閃存塊和18個中斷源的中斷控制器，具有21個通用I/O引腳，5通道DMA，32 kHz的睡眠計(jì)時(shí)器等豐富的外設(shè)接口[5]。系統(tǒng)通過CC3200內(nèi)置的WiFi模塊功能，將數(shù)據(jù)上傳至Web服務(wù)器，CC3200是德州儀器公司生產(chǎn)的集成 ARM Cortex?M4內(nèi)核，運(yùn)行頻率為80 MHz，具有WiFi網(wǎng)絡(luò)處理器子系統(tǒng)，具有IEEE 802.11 b/g/n射頻和TCP/IP堆棧，具備低功耗休眠模式。基于CC2530與CC3200的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)（傳感器節(jié)點(diǎn)）、協(xié)調(diào)器、上位機(jī)、CC3200和服務(wù)器5部分組成。終端節(jié)點(diǎn)通過DHT11溫濕度傳感器、E18?D80NK紅外對管傳感器、MQ?2煙霧傳感器對室內(nèi)的溫度、濕度、人數(shù)、煙霧濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立星型網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，接收來自傳感器節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)以自定義好的協(xié)議通過串口將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給上位機(jī)和CC3200。上位機(jī)負(fù)責(zé)對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示與存儲，CC3200負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)以WiFi形式發(fā)送給Web服務(wù)器，上傳至云端[6]。

2 ?傳感器硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)傳感器硬件設(shè)計(jì)主要分為3個部分：MQ?2煙霧傳感器、DHT11溫濕度傳感器和E18?D80NK紅外光電傳感器。

2.1 ?MQ?2煙霧傳感器

MQ?2煙霧傳感器所采用的氣敏材料為在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2），當(dāng)該傳感器所處環(huán)境存在煙霧（甲烷、乙烷等可燃?xì)怏w）時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨著空氣中煙霧濃度的增加而增大。MQ?2煙霧傳感器對甲烷、乙烷、煙霧等可燃?xì)怏w具有較好的靈敏度，具有較長的使用壽命和較好的穩(wěn)定性，其模擬量輸出為0～5 V電壓，空氣煙霧濃度值越高其電壓越高。

2.2 ?DHT11溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器將數(shù)字模塊采集技術(shù)以及溫濕度傳感技術(shù)相結(jié)合，確保其采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。DHT11采用串行接口單總線數(shù)據(jù)傳送方式，每次傳送40 bit數(shù)據(jù)，即8 bit濕度整數(shù)部分+8 bit濕度小數(shù)部分+8 bit溫度整數(shù)部分+8 bit溫度小數(shù)部分+8 bit校驗(yàn)和。本設(shè)計(jì)中DHT11溫濕度傳感器用于對室內(nèi)溫度和濕度的采集。

2.3 ?E18?D80NK紅外光電傳感器

E18?D80NK紅外光電傳感器是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收頭對反射光進(jìn)行解調(diào)輸出，能有效地避免可見光的干擾。該傳感器屬于NPN型光電開關(guān)，輸出高低電平兩種狀態(tài)，檢測到目標(biāo)時(shí)低電平輸出，正常狀況為高電平輸出。其工作電壓為5 V，工作電流為10～15 mA，感應(yīng)距離為3～80 cm。本設(shè)計(jì)中E18?D80NK紅外光電傳感器用于對室內(nèi)人數(shù)的采集。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為4個部分：終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)、CC3200軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 ?終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

圖2為終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖，終端節(jié)點(diǎn)是帶有傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。其軟件設(shè)計(jì)思路為終端節(jié)點(diǎn)首先對時(shí)鐘、定時(shí)器、RF射頻、傳感器等模塊進(jìn)行初始化，接著掃描查找周圍是否存在由協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，若存在則申請加入并獲取得到由協(xié)調(diào)器分配的16位短地址;接著進(jìn)入低功耗休眠模式，當(dāng)1 s到達(dá)時(shí)讀取傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器后再次進(jìn)入低功耗休眠模式，并等待下次定時(shí)器中斷的到來。

3.2 ?協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

圖3為協(xié)調(diào)器程序流程圖，協(xié)調(diào)器是室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的組建節(jié)點(diǎn)。其軟件設(shè)計(jì)思路為協(xié)調(diào)器首先對時(shí)鐘、定時(shí)器、RF射頻、UART串口等模塊進(jìn)行初始化;接著初始ZigBee協(xié)議棧，對信道進(jìn)行掃描，選擇合適信道后設(shè)定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符、64位擴(kuò)展地址和16位短地址等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。至此ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)建立成功，等待節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，當(dāng)有終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后，協(xié)調(diào)器接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)幀通過RS 232串口方式分別發(fā)送給上位機(jī)和CC3200。

圖3 ?協(xié)調(diào)器程序流程圖

協(xié)調(diào)器（下位機(jī)）與上位機(jī)的通信協(xié)議為7個8位的數(shù)據(jù)幀格式，如表1所示。其數(shù)據(jù)幀內(nèi)容為1 B的幀頭，4 B的數(shù)據(jù)，1 B檢驗(yàn)和以及1 B的幀尾。

3.3 ?CC3200軟件設(shè)計(jì)

CC3200是該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳到云端的中轉(zhuǎn)站節(jié)點(diǎn)，其軟件設(shè)計(jì)思路首先對時(shí)鐘、定時(shí)器、UART串口、網(wǎng)絡(luò)連接、HTTP Client等模塊初始化，接著判別CC3200通過WLAN形式是否連接上服務(wù)器[7]，若連接成功則以5 s為一個周期將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。CC3200程序流程圖如圖4所示。

圖4 ?CC3200程序流程圖

3.4 ?上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖5為室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面，圖6為后臺數(shù)據(jù)管理模塊界面。上位機(jī)是室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示與存儲的終端，該系統(tǒng)上位機(jī)是在Microsoft Visual Studio 2015環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，由數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊和后臺數(shù)據(jù)管理模塊兩部分組成[8]。數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊對室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)溫度、濕度、人數(shù)、煙霧濃度值等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過上位機(jī)所編寫虛擬示波器對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控。后臺數(shù)據(jù)管理模塊將環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)存儲到Access數(shù)據(jù)庫中，對歷史數(shù)據(jù)和上位機(jī)的登錄用戶進(jìn)行管理。

圖5 ?上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

圖6 ?上位機(jī)后臺數(shù)據(jù)管理界面

4 ?系統(tǒng)測試

4.1 ?終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器通信距離測試

測試要求：分別在空曠和有障礙物的環(huán)境下測試終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器的有效通信距離。

測試結(jié)果：測試結(jié)果如表2所示，其中0代表通信失敗，1代表通信成功。在空曠環(huán)境下有效通信距離為75 m，在有障礙物的環(huán)境下通信距離為50 m。

4.2 ?協(xié)調(diào)器與上位機(jī)通信測試

測試要求：測試協(xié)調(diào)器（下位機(jī)）能否將空氣溫度、空氣濕度、室內(nèi)人數(shù)和煙霧濃度值有效準(zhǔn)確地發(fā)送給上位機(jī)。測試結(jié)果：測試結(jié)果如圖7所示，通過在VS環(huán)境下編寫的上位機(jī)界面顯示室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，結(jié)果表明協(xié)調(diào)器能夠準(zhǔn)確有效將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

圖7 ?室內(nèi)環(huán)境參數(shù)顯示

4.3 ?CC3200與服務(wù)器通信測試

測試要求：測試CC3200能否將空氣溫度、空氣濕度、室內(nèi)人數(shù)和煙霧濃度值有效準(zhǔn)確地發(fā)送給服務(wù)器。

測試結(jié)果：測試結(jié)果如圖8所示，通過在Web網(wǎng)頁上編寫界面，顯示服務(wù)器所接收到的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，結(jié)果表明CC3200能夠準(zhǔn)確有效地將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

圖8 ? Web網(wǎng)頁界面室內(nèi)環(huán)境參數(shù)顯示

5 ?結(jié) ?語

本文設(shè)計(jì)一種基于CC2530與CC3200的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度、人數(shù)、煙霧濃度等數(shù)據(jù)采集，并通過協(xié)調(diào)器所建立的星型網(wǎng)絡(luò)將環(huán)境參數(shù)匯集給協(xié)調(diào)器，利用RS 232串口通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)端（下位機(jī)）分別與上位機(jī)和CC3200數(shù)據(jù)傳輸，利用WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)將CC3200接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給Web服務(wù)器。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與管理。下一步工作是對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的改善，做出相應(yīng)的決策與控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉秀.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].重慶：重慶大學(xué)，2015.

LIU Xiu. The design of the indoor environment monitoring system based on wireless sensor network [D]. Chongqing： Chongqing University， 2015.

[2] 王驥，林杰華，謝仕義.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，28（11）：1732?1740.

WANG Ji， LIN Jiehua， XIE Shiyi. The environment monitoring system based on wireless sensor network [J]. Chinese journal of sensors and actuators， 2015， 28（11）： 1732?1740.

[3] 王麗偉，鄔迎.基于WiFi技術(shù)的家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].電腦知識與技術(shù)，2016，12（13）：49?50.

WANG Liwei， WU Ying. Design and research of home environment monitoring system based on WiFi technology [J]. Computer knowledge and technology， 2016， 12（13）： 49?50.

[4] 朱嶸濤，羅明璋.基于nRF24L01和IAP15W4K58S4的糧倉環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（18）：66?69.

ZHU Rongtao， LUO Mingzhang. Design of barn environment monitoring system based on nRF24L01 and IAP15W4K58S4 [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（18）： 66?69.

[5] Texas Instruments. CC2530 [EB/OL]. [2011?02?01]. http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[6] BASSOLI M， BIANCHI V， MUNARI I D， et al. An IoT approach for an AAL Wi?Fi?based monitoring system [J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement， 2017， 66（12）： 3200?3209.

[7] MOHANRAJ I， ASHOKUMAR K， NAREN J. Field monitoring and automation using IoT in agriculture domain [J]. Procedia computer science， 2016， 93： 931?939.

（上接第74頁）

[8] 賈偉.物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與信息傳輸技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（5）：33?37.

JIA Wei. Research on data acquisition and information transmission technology of Internet of Things [J]. Modern electronics technique， 2016， 39（5）： 33?37.

[9] 張海蓉，冀慎統(tǒng)，郭紅安.基于單片機(jī)的電路信息實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（22）：85?87.

ZHANG Hairong， JI Shentong， GUO Hongan. Design of circuit information real?time acquisition system based on MCU [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（22）： 85?87.

[10] 曹源，徐曉輝，王停，等.面向多傳感器接入的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（15）：135?137.

CAO Yuan， XU Xiaohui， WANG Ting， et al. Research of multi?sensor access wireless sensor nodes [J]. Electronic design engineering， 2016， 24（15）： 135?137.