1、概述

溫濕度監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求在眾多領(lǐng)域引起了高度關(guān)注，糧庫、溫室大棚、工業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)等都需要實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度。在實(shí)際應(yīng)用中，參數(shù)采集點(diǎn)往往具有分布離散、移動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)布線困難。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)的發(fā)展，為系統(tǒng)自動(dòng)化在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了實(shí)現(xiàn)途徑。基于ZigeBee無線模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單靈活、在線壽命長(zhǎng)及移動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);而GPRS技術(shù)是中國(guó)移動(dòng)推出的無線傳輸業(yè)務(wù)，采用分組交換技術(shù)，具有超強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性。本次設(shè)計(jì)正是基十這兩種無線傳輸技術(shù)，以CC2530芯片為主體，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域性傳感器數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。這種將PAN網(wǎng)絡(luò)和GSM公用網(wǎng)絡(luò)相融合的采集方法具有覆蓋范圍大、穩(wěn)定性強(qiáng)、精度高和應(yīng)用環(huán)境廣泛的優(yōu)勢(shì)。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖所示，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及ZigBee數(shù)據(jù)采集移動(dòng)接收終端構(gòu)成。ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)是用來采集傳感器數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的一種精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD） 。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的全功能設(shè)備（FFD）和GSM模塊TC35i構(gòu)成，F(xiàn)FD在此又承擔(dān)著PAN網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器任務(wù)，所以又叫做協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要功能是ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)通信接口之間的轉(zhuǎn)換。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)通過RS232發(fā)送給GSM模塊，從而實(shí)現(xiàn)將無線個(gè)域網(wǎng)的數(shù)據(jù)匯聚并轉(zhuǎn)發(fā)到GSM公用網(wǎng)絡(luò);通過GSM網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)一地傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心或用戶移動(dòng)終端。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無線模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)都是采用CC2530作為主控芯片。CC2530內(nèi)部集成了符合2. 4G IEEE802.15. 4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，在軟件上添加ZigBee協(xié)議棧之后，可以實(shí)現(xiàn)ZigBee模塊組網(wǎng)。該芯片內(nèi)置了32M的品體振蕩器、16M和32.768K的RC振蕩器，在不同的應(yīng)用需求下，可以選擇對(duì)應(yīng)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(nèi)置了豐富的通信接口，如A/D模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)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(kuò)展性。

2.2 GSM通信模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(jí)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(jù)、短信、語音、傳真等功能，可廣泛用于遙感測(cè)量記錄傳輸、遠(yuǎn)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(shè)計(jì)

3.3.1溫度傳感器電路

本設(shè)計(jì)選用DS18B20作為溫度傳感器，是一種單總線數(shù)據(jù)溫度傳感器，測(cè)量范圍廣、精度高;通信時(shí)無需時(shí)鐘線，只需一根通信線，可與CC2530的任一普通IO口實(shí)現(xiàn)通信，本設(shè)計(jì)采用P1. 1。外圍電路配置非常簡(jiǎn)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(jù)端口。

3.3.2濕度傳感器電路

采用法國(guó)Humirel公司生產(chǎn)的HS1101作為濕度采集傳感器，測(cè)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(huì)隨著空氣濕度的變化而呈同性變化，將HS1101振蕩電路中所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大，再通過的A/D轉(zhuǎn)換模塊將輸出的直流電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)是基于Z-Stack協(xié)議棧的，采集節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)就是負(fù)責(zé)采集傳感器的數(shù)據(jù)，并且將處理后的采集數(shù)據(jù)通過ZigeBee無線模塊發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)上電后，首先會(huì)進(jìn)行硬件的相關(guān)初始化，包括時(shí)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(diǎn)會(huì)掃描所有信道，尋找最佳的鄰居協(xié)調(diào)者，并請(qǐng)求加入。由于采集節(jié)點(diǎn)使用電池方式供電，節(jié)點(diǎn)的功耗要保持很低。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用周期性發(fā)送的機(jī)制，節(jié)點(diǎn)只有在周期性喚醒時(shí)才會(huì)采集傳感器數(shù)據(jù)并且開啟無線通信功能，其他時(shí)間均處于眠狀態(tài)。采集節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖所示。

5、結(jié)論

采用ZigBee技術(shù)與GPRS技術(shù)相結(jié)合的溫濕度智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有布置簡(jiǎn)單、成本低、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，適用于人員不便達(dá)到的惡劣環(huán)境。該系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，通過ZigBee數(shù)傳模塊簡(jiǎn)單的二次開發(fā)即可實(shí)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(wǎng)絡(luò)擁塞，還可以在無線退避算法和數(shù)據(jù)融合方面作進(jìn)一步的研究。

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