ZigBee_GPRS的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

溫濕度監(jiān)測的應用需求在眾多領域引起了高度關注，糧庫、溫室大棚、工業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)等都需要實時地監(jiān)測環(huán)境溫濕度。在實際應用中，參數(shù)采集點往往具有分布離散、移動性強等特點，導致傳統(tǒng)的有線監(jiān)測布線困難。隨著無線傳感器網絡和遠程傳輸技術的發(fā)展，為系統(tǒng)自動化在線實時監(jiān)測提供了實現(xiàn)途徑?；赯igeBee無線模塊傳感器網絡具有組網簡單靈活、在線壽命長及移動性強等優(yōu)點;而GPRS技術是中國移動推出的無線傳輸業(yè)務，采用分組交換技術，具有超強的穩(wěn)定性和可靠性。本次設計正是基十這兩種無線傳輸技術，以CC2530芯片為主體，實現(xiàn)了區(qū)域性傳感器數(shù)據采集與遠程數(shù)據傳輸。這種將PAN網絡和GSM公用網絡相融合的采集方法具有覆蓋范圍大、穩(wěn)定性強、精度高和應用環(huán)境廣泛的優(yōu)勢。

2系統(tǒng)結構與工作原理

如圖所示，該監(jiān)測系統(tǒng)由ZigBee數(shù)據采集終端節(jié)點、ZigBee數(shù)據采集網關節(jié)點以及ZigBee數(shù)據采集移動接收終端構成。ZigBee數(shù)據采集終端節(jié)點是用來采集傳感器數(shù)據，并將采集到的數(shù)據通過ZigBee網絡發(fā)送到協(xié)調節(jié)點的一種精簡功能設備(RFD) 。網關節(jié)點由ZigBee數(shù)傳網絡的全功能設備(FFD)和GSM模塊TC35i構成，F(xiàn)FD在此又承擔著PAN網絡的協(xié)調器任務，所以又叫做協(xié)調節(jié)點。網關節(jié)點主要功能是ZigBee網絡和GSM網絡通信接口之間的轉換。協(xié)調節(jié)點將收集到的數(shù)據通過RS232發(fā)送給GSM模塊，從而實現(xiàn)將無線個域網的數(shù)據匯聚并轉發(fā)到GSM公用網絡;通過GSM網絡，系統(tǒng)將采集到的溫濕度數(shù)據實時一地傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心或用戶移動終端。

3系統(tǒng)硬件設計

3.1 ZigBee無線模塊設計

本設計的ZigBee數(shù)據采集終端節(jié)點和控制節(jié)點都是采用CC2530作為主控芯片。CC2530內部集成了符合2. 4G IEEE802.15. 4標準的射頻收發(fā)器，在軟件上添加ZigBee協(xié)議棧之后，可以實現(xiàn)ZigBee模塊組網。該芯片內置了32M的品體振蕩器、16M和32.768K的RC振蕩器，在不同的應用需求下，可以選擇對應的振蕩器以降低功耗，如在體眠模式下就可以使用32. 768K的RC振蕩器。另外，CC2530還內置了豐富的通信接口，如A/D模數(shù)轉換接口、SPI接口及UART通用串行口，能夠滿足目前大部分傳感器接口的應用需求。所以，使用該芯片后，系統(tǒng)的采集功能具有很好的擴展性。

2.2 GSM通信模塊設計

網關節(jié)點的GSM通信采用西門子公司推出的支持中文短消息的工業(yè)級TC35i模塊，其GPRS模塊永久在線功能提供了最快的數(shù)傳速率。其體積小巧、功耗低，能提供數(shù)據、短信、語音、傳真等功能，可廣泛用于遙感測量記錄傳輸、遠程信息處理和電話等。下圖所示，SMS模塊主要包括接口電路、SIM片座電路和串口電路。TC35i電源供電范圍為DC3.3－4.8V。

3.3傳感器模塊設計

3.3.1溫度傳感器電路

本設計選用DS18B20作為溫度傳感器，是一種單總線數(shù)據溫度傳感器，測量范圍廣、精度高;通信時無需時鐘線，只需一根通信線，可與CC2530的任一普通IO口實現(xiàn)通信，本設計采用P1. 1。外圍電路配置非常簡單，只需1根4. 7kSZ的上拉電阻；1腳和3腳分別接地和電源(5V) ，2腳接數(shù)據端口。

3.3.2濕度傳感器電路

采用法國Humirel公司生產的HS1101作為濕度采集傳感器，測量范圍為0%一100% RH，誤差在士2% RH，年漂移量小。HS1101的電容量會隨著空氣濕度的變化而呈同性變化，將HS1101振蕩電路中所產生的正弦波電壓信號經整流、直流放大，再通過的A/D轉換模塊將輸出的直流電壓轉化為數(shù)字量。

4系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)ZigBee網絡的實現(xiàn)是基于Z-Stack協(xié)議棧的，采集節(jié)點的主要任務就是負責采集傳感器的數(shù)據，并且將處理后的采集數(shù)據通過ZigeBee無線模塊發(fā)送給網絡協(xié)調節(jié)點。采集節(jié)點上電后，首先會進行硬件的相關初始化，包括時鐘初始化、無線寄存器初始化及通信接口等外圍模塊的初始化。然后，采集節(jié)點會掃描所有信道，尋找最佳的鄰居協(xié)調者，并請求加入。由于采集節(jié)點使用電池方式供電，節(jié)點的功耗要保持很低。軟件設計時，可以采用周期性發(fā)送的機制，節(jié)點只有在周期性喚醒時才會采集傳感器數(shù)據并且開啟無線通信功能，其他時間均處于眠狀態(tài)。采集節(jié)點軟件流程如圖所示。

5結論

采用ZigBee技術與GPRS技術相結合的溫濕度智能監(jiān)測系統(tǒng)具有布置簡單、成本低、穩(wěn)定性高等特點，適用于人員不便達到的惡劣環(huán)境。該系統(tǒng)具有良好的擴展性，通過ZigBee數(shù)傳模塊簡單的二次開發(fā)即可實現(xiàn)多種環(huán)境參數(shù)采集。為了減少ZigBee數(shù)傳模塊無線通信的能量損耗和網絡擁塞，還可以在無線退避算法和數(shù)據融合方面作進一步的研究。