摘要：本文基于ZigBee技術(shù)及組網(wǎng)方式，結(jié)合國內(nèi)目前已有的傳感器技術(shù)，提出了用于溫濕度傳感器監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方案。系統(tǒng)由傳感器、處理器及監(jiān)測平臺組成。傳感器采集網(wǎng)絡(luò)采集溫濕度變量信息，通過ZigBee技術(shù)并送到上位機軟件顯示，分析和存儲。

1前言

    隨著無線傳感器技術(shù)的發(fā)展，以及對于環(huán)境檢測要求的提高，越來越多的工程技術(shù)人員致力于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。

    通過在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)設(shè)置傳感器，采用無線通信方式進(jìn)行組網(wǎng)，實現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，感知對象的信息采集，信息量化、信息處理融合以及傳輸?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)適用于煤礦、油田，電力等工業(yè)場所安全監(jiān)測、居家、辦公及商場的民用監(jiān)測。利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)溫濕度監(jiān)測的具有以下特點：

    （1）無人少人環(huán)境、惡劣環(huán)境或超遠(yuǎn)距離的信息采集和傳送，保證系統(tǒng)工業(yè)級品質(zhì)安全可靠。

    （2）大范圍的通信覆蓋，設(shè)備較多，僅用于監(jiān)控。

    （3）運維費用低，節(jié)省敷設(shè)電纜費用，可臨時性安裝，易于擴展。

    （4）具有數(shù)據(jù)處理能力，大量數(shù)據(jù)存儲于后臺或遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

    本文采用ZigBee芯片CC2530為控制核心，實時進(jìn)行環(huán)境內(nèi)溫度，濕度參數(shù)監(jiān)測。并將實測值與目標(biāo)值進(jìn)行對比，若實測值超過目標(biāo)閾值，則發(fā)出報警。系統(tǒng)由無線溫、濕度傳感器和ZigBee無線網(wǎng)關(guān)組成。無線溫、濕度傳感器在目標(biāo)區(qū)域，執(zhí)行溫度和濕度數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和發(fā)送等工作。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計

    本設(shè)計采用了溫濕度傳感器作為無線網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(即中心節(jié)點)的無線覆蓋范圍之內(nèi)，布置若干個路由節(jié)點和終端節(jié)點，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理和互相通信。

    根據(jù)系統(tǒng)的需要，溫濕度傳感器節(jié)點功能如下：

    （1）對傳感器的信號進(jìn)行采集和處理。

    （2）對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)。

    （3）通訊功能。

    無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點由以下部分組成：溫濕度傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊。

    （1）微處理器和無線通信模塊采用CC2530。

    （2）傳感器模塊采用DHT11，

    （3）采用電池供電。

    系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1處理器模塊

    處理器模塊控制整個節(jié)點的數(shù)據(jù)處理操作、路由協(xié)議、功耗管理、任務(wù)管理等。

    無線通信模塊的功能包括：與其他節(jié)點進(jìn)行無線通信，交換控制消息和收發(fā)數(shù)據(jù)。

    數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和傳送。電源模塊對單元節(jié)點的供電模式進(jìn)行管理。數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計主要包括傳感器的選擇以及與微處理器的連接電路。本次設(shè)計主要采集大氣的溫度，濕度。

2.2溫濕度傳感器

    DHT11數(shù)字溫濕濕度傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。響應(yīng)速度快、抗干擾能力強、性價比高等特點。DHT11數(shù)字溫濕濕度傳感器采用單線制串行接口，系統(tǒng)集成方便、體積小、功耗低，傳輸距離可達(dá)20米以上。DHT11與微處理器接口電路如圖2所示。

    DHT11數(shù)字溫濕度傳感器一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit，高位先出。數(shù)據(jù)格式：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit數(shù)據(jù)校驗。

3軟件系統(tǒng)設(shè)計

    節(jié)點軟件設(shè)計包括軟件平臺安裝、編程、生成可執(zhí)行文件、可執(zhí)行文件寫入和軟件調(diào)試等幾個步驟，具體流程圖如圖3所示。

    節(jié)點軟件系統(tǒng)分為主程序模塊、初始化程序模塊、網(wǎng)絡(luò)建立及通信模塊、數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換模塊。通信模塊包括數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊等。主程序模塊調(diào)用其它模塊，完成系統(tǒng)總體功能；初始化程序模塊用來進(jìn)行RAM初始化、內(nèi)部各種寄存器的設(shè)置，通訊模式的設(shè)置以及開中斷；通信模塊用來建立網(wǎng)絡(luò)并建立節(jié)點間聯(lián)系，協(xié)調(diào)器給其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址，建立綁定關(guān)系等；數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換模塊用來采集并處理模數(shù)轉(zhuǎn)換后的傳感器數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊用來接收并分析收到的信息，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷，或進(jìn)行轉(zhuǎn)換合并；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊是將信息打包后進(jìn)行發(fā)送到其他節(jié)點和監(jiān)控主機。

4傳感器數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計

    溫濕度傳感器對信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波，線性化處理及顯示。

    傳感器在不通電存放一段時間后，再次通電時，傳感器不能立即正常采集信息，需要一段時間預(yù)熱。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。

    溫濕度傳感器采集信號的流程圖如圖4所示。

    通過CC2530IO口模擬DHT11的讀取時序，讀取DHT11的溫濕度數(shù)據(jù)，通過編程實現(xiàn)溫濕度值的采集，讀取到溫濕度之后通過串口打印出來，下面是源碼實現(xiàn)的解析過程：

    主函數(shù)中主要實現(xiàn)了以下步驟：

    （1）初始化系統(tǒng)時鐘xtal_init()：選用32MHz晶體振蕩器。

    （2）初始化LEDled_init()：設(shè)置P1.0和P1.1為普通I/O口，設(shè)置P1方向為輸出，然后關(guān)閉D6、D7燈。

    （3）初始化溫濕度傳感器dht11_io_init()：配置P1.5I/O口。

    （4）初始化串口uart0_init()：配置I/O口、設(shè)置波特率、奇偶校驗位和停止位。

    （5）在主函數(shù)中使用while(1)每隔1s更新溫濕度的值并讓D7燈閃爍。

    上電CC2530節(jié)點板，然后按下連接好的CC2530仿真器的復(fù)位按鍵；接下來點擊IAR菜單Project->Downloadanddebug，將程序下載程序到CC2530射頻板上。在PC上打開超級終端或串口調(diào)試助手，設(shè)置波特率為19200，8數(shù)據(jù)位，1停止位，無硬件流控。將CC2530射頻板上電并復(fù)位，運行剛才下載的程序。從PC機串口中可以讀出當(dāng)時場所的溫度、濕度實驗數(shù)據(jù)。

5 Web應(yīng)用程序演示

    根據(jù)實際s210系列實驗箱以及硬件平臺修改代碼中傳感器節(jié)點的IEEE地址、智云服務(wù)器地址和智云ID/KEY。設(shè)置電腦接入到互聯(lián)網(wǎng)或者與智云網(wǎng)關(guān)設(shè)備在同一個局域網(wǎng)內(nèi)。用谷歌瀏覽器運行：TempHumiDemo-Web\TempHumiDemo.html，進(jìn)入遠(yuǎn)程數(shù)字溫度計模塊界面，在主界面右上角顯示“數(shù)據(jù)服務(wù)連接成功！”消息后即表示鏈接到智云服務(wù)中心，在界面可以看到溫濕度的顯示，如圖5所示。

6 結(jié)束語

    本位以溫濕度這種典型的物聯(lián)網(wǎng)傳感器為核心器件，通過硬件和軟件的設(shè)計組裝，實現(xiàn)智能數(shù)字溫濕度計的設(shè)計。該無線溫濕度傳感器定時采集環(huán)境溫濕度數(shù)值并主動上傳，通過對空氣溫濕度傳感器的采集監(jiān)控，實時將溫濕度信息推送到Android移動客戶端，實現(xiàn)隨時隨地遠(yuǎn)程獲取家居溫濕度等環(huán)境信息的功能。