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(fù)雜、數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性低等問題，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺。選用SHT75傳感器實現(xiàn)對監(jiān)測點溫濕度信息的精準(zhǔn)采集，并通過由CC2530芯片和CC2591射頻前端組建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)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。

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)作為物聯(lián)網(wǎng)的一種未梢網(wǎng)絡(luò)和感知延伸層，已經(jīng)廣泛應(yīng)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(lǐng)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(zhǔn)確性低、設(shè)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(shè)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(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)(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(zhǔn)采集。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)定義了傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點(協(xié)調(diào)器和路由器)和管理節(jié)點等三類功能單元，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(yīng)等特性。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)負責(zé)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(luò)和GSM移動通信網(wǎng)絡(luò)。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(shè)計

2．1 無線傳輸單元

無線傳輸單元是系統(tǒng)設(shè)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(nèi)部集成了增強型的8051內(nèi)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(gòu)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(fù)位電路、無線收發(fā)電路等。由于技術(shù)相對成熟，這里不再贅述，可參看參考文獻。

為保證網(wǎng)絡(luò)的傳輸質(zhì)量，擴大網(wǎng)絡(luò)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(nèi)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?，采用CC2591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(luò)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(dāng)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(yīng)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(jié)合的方式，存在數(shù)據(jù)融合算法復(fù)雜、準(zhǔn)確性低等缺點。采用基于CMOSens技術(shù)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(zhǔn)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(yīng)采用低電平驅(qū)動DATA引腳，故連接了一個10 kΩ的上拉電阻，當(dāng)CC2530輸出低電平時，將信號拉至高電平驅(qū)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(yīng)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(jié)合的方式，確保報警的及時準(zhǔn)確，無漏警。

對于聲報警電路，鑒于無源蜂鳴器的頻率可調(diào)，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(qū)動能力有限，故采用一個PNP型三極管8550放大電流來驅(qū)動蜂嗚器。當(dāng)溫濕度超過安全閾值時，通過特定程序?qū)ν廨敵霾煌l率的驅(qū)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。