基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)的硬件原理框圖如圖4。處理器模塊和無線通信模塊采用CC2430 芯片, CC2430是一個(gè)真正的系統(tǒng)芯片( SoC) , 它包括了一個(gè)高性能的2.4GHz DSSS( 直接序列擴(kuò)頻) 射頻收發(fā)器和高性能、低功耗的8051微控制器核。CC2430芯片采用0.18 um CMOS工藝生產(chǎn), 工作時(shí)的電流損耗為27 mA; 在接收和發(fā)射模式下, 電流損耗分別小于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性, 特別適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。大大簡化了射頻電路的設(shè)計(jì)。傳感器模塊采用集成溫濕度傳感器SHT10。電源模塊采用3V 紐扣電池。

圖4 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　SHT10 用于采集周圍環(huán)境中的溫度和濕度, 其工作電壓為2.4～5.5V, 測濕精度為±4.5%RH, 25℃時(shí)測溫精度為±0.5℃。采用SMD 貼片封裝, 與處理器的通信電路I2C通信協(xié)議。

2.4 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)采用了TinyOS操作系統(tǒng)，TinyOS 是美國的伯克利大學(xué)開發(fā)的,專為嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，是一款自由和開放源碼的操作系統(tǒng)和平臺(tái), 它采用面向元件結(jié)構(gòu),確?？焖夙憫?yīng)和執(zhí)行,同時(shí)減小了代碼量,以適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格的存儲(chǔ)空間需要。它運(yùn)行在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上,是其他上層應(yīng)用和協(xié)議運(yùn)行的前提。其操作系統(tǒng)、庫和程序服務(wù)程序是用nesC 寫的。nesC 是一種開發(fā)組件式結(jié)構(gòu)程序、具有C 語法風(fēng)格的語言,其組件層次結(jié)構(gòu)就如同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,底層的組件負(fù)責(zé)接收和發(fā)送原始的數(shù)據(jù)位,而高層的組件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼,更高層的組件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)打包、路由和傳輸數(shù)據(jù)。組件用接口互相連接。TinyOS為普通的抽象描述提供了接口和組件，例如數(shù)據(jù)包通信，路由，感知，行為和儲(chǔ)存。

　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序采用nesC編寫，分為數(shù)據(jù)采集、電池能量檢測和無線通信這三個(gè)分別設(shè)計(jì)的模塊。無線路由節(jié)點(diǎn)和無線終端節(jié)點(diǎn)比無線終端節(jié)點(diǎn)多一個(gè)數(shù)據(jù)匯集和上傳的功能。

2.5 ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

　　在該系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的互聯(lián)，把網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測的溫濕度數(shù)據(jù)需要發(fā)送到監(jiān)測中心主機(jī)進(jìn)行分析和顯示。ZigBee網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)該功能, 擔(dān)當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。ZigBee網(wǎng)關(guān)由下列部分組成: 內(nèi)部集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的射頻(RF) 收發(fā)器的CC2430無線單片機(jī); 采用ARM核的SamsungS3C44BOX微控制器; AX88796以太網(wǎng)控制器芯片等。

2.6 監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

　　作為一個(gè)完整的藥廠環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，除了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，運(yùn)行在計(jì)算機(jī)服務(wù)器上的上層管理軟件必不可少。本系統(tǒng)中，上層管理軟件采用三層C/S 模式，實(shí)時(shí)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成用戶最終關(guān)心的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，局域網(wǎng)內(nèi)的辦公用戶在經(jīng)過授權(quán)后，可以讀取監(jiān)控主機(jī)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測。監(jiān)控應(yīng)用軟件還對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤管理。對(duì)于監(jiān)控到異常情況，上層管理軟件使用聲光、短信、電話實(shí)時(shí)報(bào)警方式?？娠@示參數(shù)列表、實(shí)時(shí)曲線圖（對(duì)應(yīng)具體數(shù)值并任意調(diào)整坐標(biāo)）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、折算數(shù)據(jù)、累計(jì)數(shù)據(jù)、歷史、報(bào)警畫面、報(bào)表等多種顯示、統(tǒng)計(jì)功能更加貼近用戶需求。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了檢驗(yàn)該溫濕度傳感器的性能, 將3個(gè)溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)置于RZ-80-E型高精度的溫濕度試驗(yàn)箱中, 試驗(yàn)箱的溫度控制精 ±0.3℃，濕度控制精度 ± 2.5% R.H。將測量的標(biāo)準(zhǔn)值與控制主機(jī)采集的測量值相比較, 從測量數(shù)據(jù)可以看出, 測量誤差較小, 滿足使用要求。測量值與實(shí)際值之間的誤差主要是傳感器自身測量誤差, 網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中幾乎不會(huì)引人誤差。