基于ZigBee-WSN的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：針對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)布線復雜、數(shù)據(jù)的實時性和準確性低等問題，提出了一種基于ZigBee技術的分布式傳感器網(wǎng)絡平臺。選用SHT75傳感器實現(xiàn)對監(jiān)測點溫濕度信息的精準采集，并通過由CC2530芯片和CC2591射頻前端組建的ZigBee網(wǎng)絡完成數(shù)據(jù)的遠距離傳輸和匯聚。數(shù)據(jù)經(jīng)過閾值比較，可以進行聲光報警或GSM短信報警。同時，采集的溫濕度信息將通過Z-ScnsorMonitor軟件在PC端實時顯示和存儲。本系統(tǒng)提高了數(shù)據(jù)的實時性和可靠性，降低了環(huán)境監(jiān)測成本。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；溫濕度；CC2530

引言
無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)作為物聯(lián)網(wǎng)的一種未梢網(wǎng)絡和感知延伸層，已經(jīng)廣泛應用于汽車電子、工業(yè)控制、家庭自動化和環(huán)境監(jiān)測等領域。然而，現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)往往存在通信距離短、覆蓋面小、數(shù)據(jù)準確性低、設備體積龐大等缺陷。同時，由于監(jiān)測點大部在野外、機房、企業(yè)排污點等無人值守的地方，需要工作人員定期到現(xiàn)場檢查設備的運行狀態(tài)并維護，因此數(shù)據(jù)的實時性和故障排除的及時性得不到保證。鑒于此，本文設計了一種基于ZigBee技術的分布式傳感器網(wǎng)絡(DSN)平臺，采用分布式采集，集中式管理策略，并以采集環(huán)境溫濕度信息為例，實現(xiàn)了遠距離的實時溫濕度精準采集。

1 系統(tǒng)總體結構和功能
系統(tǒng)采用模塊化設計思想，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)架構定義了傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點(協(xié)調器和路由器)和管理節(jié)點等三類功能單元，系統(tǒng)總體結構如圖1所示。傳感器節(jié)點根據(jù)監(jiān)測需要分布在不同地點，具有小巧、可移動和自適應等特性。無線傳輸網(wǎng)絡負責對采集的數(shù)據(jù)進行實時傳輸、路由中繼和匯聚等，包括ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡和GSM移動通信網(wǎng)絡。管理節(jié)點可以采用手機、PDA、嵌入式處理器或PC機等，這里采用PC機接收監(jiān)測點信息，并提供人機交互操作接口，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實時顯示和存儲；采用手機終端實現(xiàn)異地監(jiān)控和報警。

2 系統(tǒng)硬件電路設計
2．1 無線傳輸單元
無線傳輸單元是系統(tǒng)設計的核心，采用CC2530芯片作為系統(tǒng)的MCU，它是TI公司針對2．4GHz ISM頻段推出的第二代支持ZigBee／IEEE 802．15．4協(xié)議的片上系統(tǒng)集成芯片。CC2530內部集成了增強型的8051內核，8路輸入的12位ADC以及看門狗定時器等，故只需很少的外圍電路即可構建一個簡單的ZigBee節(jié)點。其中，必備的外圍電路包括晶振電路、電源電路、復位電路、無線收發(fā)電路等。由于技術相對成熟，這里不再贅述，可參看參考文獻。
為保證網(wǎng)絡的傳輸質量，擴大網(wǎng)絡的覆蓋面積，選用TI公司的高性價比、高集成度的2．4 GHz射頻前端CC2591。它適合于低功耗、低電壓的無線傳輸系統(tǒng)。CC2591內部集成的功率放大器(PA)輸出功率可達+22dBm，保證了信號的大功率輸出；同時，還集成了接收靈敏度為6 dB的低噪聲放大器(LNA)?；谝陨咸匦裕捎肅C2591射頻前端的ZigBee節(jié)點在無障礙情況下的傳輸距離可達500～800m，是原來距離的10倍以上，網(wǎng)絡覆蓋面積大大增強。CC2530芯片與CC2591射頻前端的硬件連接圖如圖2所示。

使用CC2591的4個數(shù)字引腳PAEN、EN、HGM、RXTX控制芯片的狀態(tài)。接收信號時，當HGM=1采用高增益模式，增益為11dB；HGM=0采用低增益模式，增益為1 dB；發(fā)射信號時，無論HGM為1或0或懸空，信號均放大。另外，CC2591的RF_P、RF_N引腳須與CC2530的RF_P、RF_N對應連接，保證RF_P、RF_N在發(fā)送期間能從功率放大器輸出正／負向射頻信號，在接收期間能輸入正／負向射頻信號到低噪聲放大器。
2．2 數(shù)據(jù)采集單元
傳統(tǒng)溫濕度采集往往采用溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器HS1101相結合的方式，存在數(shù)據(jù)融合算法復雜、準確性低等缺點。采用基于CMOSens技術的新型數(shù)字式溫濕度傳感器SHT75不僅提高了數(shù)據(jù)采集的精度，而且保證了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。其相對測濕精度為±1．8％RH，而在25℃時的測溫精度可以達到±0．3℃，因此特別適合于特殊環(huán)境下溫濕度的精準采集。

SHT75采用4引腳單排直插式封裝，供電范圍為2．4～5．5 V，溫濕度采集電路電路如圖3所示。DATA引腳為雙向的串行數(shù)據(jù)收發(fā)引腳，可以接CC2530的任意GPIO實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，這里連接引腳P0_3。另外，為避免信號沖突，CC2530應采用低電平驅動DATA引腳，故連接了一個10 kΩ的上拉電阻，當CC2530輸出低電平時，將信號拉至高電平驅動DATA引腳。SCK為串行時鐘輸入引腳，連接至CC2530的P0_2引腳實現(xiàn)同步通信，控制讀出溫濕度數(shù)據(jù)。
鑒于CC2530最小系統(tǒng)的可拓展件，每個傳感器節(jié)點可以連接1～3個傳感器。同時，為了便于CC2530和GPIO的數(shù)據(jù)傳輸，所有ZigBee節(jié)點的應用程序必須保證多個數(shù)據(jù)鏈路，而兩個對等ZigBee節(jié)點間則使用同一無線信道來和多個接口創(chuàng)建虛擬鏈路，以降低系統(tǒng)的成本。
2．3 報警單元
系統(tǒng)的報警單元采用聲光報警和遠程短信報警相結合的方式，確保報警的及時準確，無漏警。
對于聲報警電路，鑒于無源蜂鳴器的頻率可調，系統(tǒng)采用無源蜂鳴器實現(xiàn)溫濕度的區(qū)別報警。由于CC2530的I／O引腳電流最大只有20 mA，驅動能力有限，故采用一個PNP型三極管8550放大電流來驅動蜂嗚器。當溫濕度超過安全閾值時，通過特定程序對外輸出不同頻率的驅動方波，發(fā)出不同報警信號。光報警電路采用普通發(fā)光二極管即可實現(xiàn)，其正極通過限流電阻接3．3 V電源，確保灌電流不超過MCU的允許值，負極可直接接到CC2530的GPIO。聲光報警電路如圖4所示，兩者相互配合，可以更好地實現(xiàn)溫濕度的區(qū)別報警。

另外，為實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程異地監(jiān)控和報警，在協(xié)調器節(jié)點增加GSM短信報警單元。選用德國西門子公司的TC35i模塊，它能夠支持中文短信，工作在GSM 900MHz和GSM 1800 MHz雙頻段；模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器、天線接口六部分組成。它的數(shù)據(jù)輸入／輸出接口實際上是一個串行異步收發(fā)器，其18引腳RXD、19引腳TXD均為TTL電平的串口通信引腳，分別連接到CC2530的GPIO即可實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。使用時只需通過CC2530發(fā)送AT指令即可控制TC35i進行短信報警。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 數(shù)據(jù)采集程序
SHT75的內部前端集成有I2C總線，故數(shù)據(jù)采集程序需完全按照I2C總線的通信協(xié)議進行即CC2530的采集指令和接收指令均應遵照SHT75的時序編寫。CC2530向SHT75發(fā)送的測溫命令為00000011、測濕命令為00000101，所有數(shù)據(jù)均從MSB開始。在測量和通信結束后，SHT75自動轉入休眠模式。
傳感器采集的溫濕度數(shù)據(jù)可以通過串口調試助手SComAssistant在PC端顯示，圖5為SHT75采集數(shù)據(jù)。可以看出，當前環(huán)境的相對濕度范圍為49．5～50．1％RH，溫度為25．4～25．7℃，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，誤差可控，可以完成對溫濕度信息的精準采集。

3．2 ZigBee-WSN軟件設計
ZigBee網(wǎng)絡的建立和運行是整個無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的關鍵，關系到數(shù)據(jù)的可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。整個系統(tǒng)的工作流程如圖6所示。
系統(tǒng)上電后，首先進行硬件初始化和網(wǎng)絡初始化。CC2530采用ZigBee2007協(xié)議棧，該協(xié)議棧的初始化可由TI公司提供的Z-Stack完成，Z-Stack是一種輪轉查詢式操作系統(tǒng)，能夠完成硬件初始化、網(wǎng)絡初始化等絕大部分功能。ZigBee網(wǎng)絡的建立實際上是通過協(xié)調器與其子節(jié)點的“綁定”實現(xiàn)的，首先由協(xié)調器通過網(wǎng)絡層函數(shù)NLME_NetworkFormationRequest()建立網(wǎng)絡，并通過zb_AllowBind()函數(shù)進入允許綁定模式。子節(jié)點發(fā)出綁定請求zb_BindDevice()后，協(xié)調器建立綁定表并響應綁定請求，綁定成功即意味著通信建立。當其他節(jié)點加入網(wǎng)絡時執(zhí)行相同步驟，并不斷更新綁定表。綁定表中包含了節(jié)點的16位網(wǎng)絡地址、64位IEEE地址和端口號。網(wǎng)絡地址用于路由機制和數(shù)據(jù)傳輸，而IEEE地址才是節(jié)點的唯一標識。ZigBee網(wǎng)絡建立過程如圖7所示。
系統(tǒng)初始化完畢后，前置節(jié)點便開始采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)經(jīng)無線網(wǎng)絡傳輸和匯聚將在PC端實時顯示，閾值比較后可以進行聲光報警和短信報警。
3．3 管理節(jié)點軟件
管理節(jié)點選擇TI公司配套的Z-SensorMonitor軟件，它可以形象地顯示網(wǎng)絡的拓撲結構和各節(jié)點的狀態(tài)信息。另外，Z-SensorMonitor提供了數(shù)據(jù)存儲和恢復功能，能將十六進制數(shù)據(jù)輸出到后綴為．log的文本中，并加入時間戳，便于今后對系統(tǒng)狀態(tài)的調閱和再現(xiàn)。故采用Z-SensorMonitor能實時地顯示各監(jiān)測點的溫濕度情況以及整個網(wǎng)絡的運行狀況，圖8為實驗過程中采集到的實時網(wǎng)絡狀態(tài)信息。

結語
通過對該無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)進行功能測試發(fā)現(xiàn)，SHT75傳感器節(jié)點能準確地采集到監(jiān)測點的溫濕度信息，數(shù)據(jù)符合監(jiān)測點的實際情況。經(jīng)過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡和GSM移動通信網(wǎng)絡傳輸后，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，達到了遠距離、大范圍的實時溫濕度精準采集要求。