基于ZigBee無線Mesh網絡的溫濕度測量系統設計

目前，隨著工業(yè)生產自動化程度不斷提升，溫濕度等生產環(huán)境要素監(jiān)控智能化程度也在不斷發(fā)展。傳統測量設備功能單一，采用線纜連接各測量節(jié)點，測量系統架設復雜，數據處理實時性不高。隨著短距離無線通信技術、嵌入式技術和傳感器技術的發(fā)展，工業(yè)現場測量系統的網絡化、智能化得到快速提升。本文開發(fā)了基于ZigBee無線Mesh網絡的溫濕度測量系統，具有網絡覆蓋能力強、測量精度高、現場架設便捷、系統智能化程度高的特點，適合工業(yè)現場大范圍溫濕度測量監(jiān)控應用。

1 系統總體設計方案

無線溫濕度測量系統將現場溫濕度驗證記錄與ZigBee網絡融為一體，具備數據采集、存儲和處理分析的功能，用戶可通過上位機軟件掌握現場環(huán)境數據。系統總體結構由無線測量終端、無線基站和上位機構成。使用LabWindows/CVI編程開發(fā)的上位機軟件，實現對無線基站和無線測量終端的管理、測量控制以及數據上傳處理。無線基站采用AT91SAM9263工業(yè)級微處理器，結合支持ZigBee應用的片上系統芯片CC2530作為硬件平臺，建立和維護整個ZigBee網絡。無線測量終端以低功耗處理器MSP430F2618作為控制核心，負責傳感器數據采集和處理，通過搭載的CC2530無線網絡模塊加入現場測量網絡并上傳測量數據。

ZigBee網絡采用網狀(Mesh)網絡的拓撲結構，其網絡路由自動建立和維護，網絡節(jié)點可通過多條路徑傳輸數據，即便某個節(jié)點離開網絡，與其關聯的節(jié)點自動尋找其他路徑重新加入網絡，實現路由修復，提高了網絡可靠性。ZigBee網絡中無線基站和無線測量終端分別作為協調器和路由器構成Mesh網絡，網絡覆蓋能力強，系統架設靈活。系統結構如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 無線基站

無線基站是無線溫濕度測量系統中的關鍵節(jié)點，一方面負責與上位機通信，獲取工程配置信息，測量結束后將各網絡節(jié)點數據上傳至PC;另一方面創(chuàng)建和維護ZigBee網絡、實現無線測量終端的入網和管理、網絡數據匯集、存儲和轉發(fā)。無線基站采用AT91SAM9263作為控制核心，其內部嵌入了高達220MIPS(每秒百萬條指令)的處理器內核，96 KB內部SRAM，支持外部總線以及豐富的外設資源。在AT92SAM9263、外部DDRAM和NorFlash組成最小系統基礎上，結合ZigBee無線網絡模塊、串口通信、液晶顯示、SD卡存儲，實現相應功能。串口采用RS232電平與PC實現通信，LCD高彩色液晶顯示系統狀態(tài)及實時測量數據，SD卡保存所有節(jié)點歷史數據。

ZigBee無線網絡模塊采用CC2530高度集成片上系統芯片，結合外圍硬件電路及外置全向天線，配備TI標準ZStack-CC2530協議棧，作為網絡協調器，實現對無線測量終端的管理和數據傳輸。

無線基站框圖如圖2所示。

2.2 無線測量終端

無線測量終端以低功耗處理器MSP430F2618為核心，采用與無線基站同樣的CC2530片上系統芯片，主要實現溫濕度數據采集、存儲和上傳，作為網絡路由器節(jié)點完成轉發(fā)通信和路由維護等功能。無線測量終端主要包括MSP430F2618微處理器子系統、A/D轉換控制、ZigBee無線網絡、人機接口、SD卡存儲、電源管理等單元模塊。

溫度測量使用鉑電阻傳感器PT100;濕度測量采用濕度傳感器HC2，傳感器的輸出為0~1 V的電壓信號。傳感器數據采集使用分辨率為16位的Σ-Δ模數轉換芯片AD7715，與MSP430F2618微處理器采用SPI接口通信。無線測量終端9路鉑電阻和3路濕度傳感器測量通道復用一個A/D轉換芯片，通過I/O口控制模擬開關和多路選擇器選擇需要測量的通道進行采樣。

人機接口采用拓普微公司LM2068圖形點陣液晶顯示模塊，液晶與MSP430F2618采用并口連接方式。系統集成的4個按鍵的小鍵盤，可用于開/關機、啟動測量和顯示界面切換。無線測量終端使用SD卡保存每個測量通道的數據，MSP430F2618采用SPI接口實現SD卡接口通信。

BQ27501芯片與微處理器之間通過I2C總線互連，實現鋰電池電量監(jiān)測和管理。

無線測量終端框圖如圖3所示。

3 軟件設計

3.1 Mesh網絡路由設計

Mesh網絡的路由算法主要實現選擇快捷的路徑、節(jié)約網絡資源、減輕系統通信負荷、提高網絡通暢率。同時由于無線測量終端采用電池供電，在某個無線測量終端停電導致網絡拓撲結構發(fā)生變化的情況下，必須保證數據傳輸鏈路快速恢復。

Mesh網絡采用AODV算法與Cluster-Tree算法相結合的路由設計。Cluster-Tree算法中，不需要維護路由表，節(jié)點收到信息后立即傳輸給下一跳節(jié)點。該算法能夠減少路由協議的控制開銷，但無法保證建立的路徑為最優(yōu)路徑，造成網絡各節(jié)點通信流量分配嚴重失衡。AODV算法是一種按需驅動路由協議，其路由過程分為路由發(fā)現和路由維護兩部分。當無線基站和無線測量終端之間需要通信時，源節(jié)點發(fā)起路由發(fā)現過程，廣播一個路由請求，鄰居節(jié)點收到路由請求后，判斷自己是否為該次路由發(fā)現的目標節(jié)點，若是則回復路由應答并在本路徑所有節(jié)點建立路由表，若不是則繼續(xù)轉發(fā)路由請求直至到達目標節(jié)點。路由維護是通過周期性地組播HELLO報文來獲知鄰居節(jié)點通信狀態(tài)，以確認路由完整。若某個節(jié)點下一跳離開網絡，則向上游節(jié)點報告路由斷開信息，相關節(jié)點丟棄無效路由，源節(jié)點開始重新路由發(fā)現。該算法能夠快速準確地創(chuàng)建從源節(jié)點到目標節(jié)點的路由，而且路由節(jié)點不需要保存整個網絡的所有路由信息。當網絡中路由狀況發(fā)生變化時，其相關節(jié)點能夠快速響應，消除無效路由信息，實現路由表的自動修復。

無線溫濕度測量系統的網絡通信遵循以下過程：(1)終端維護獲取所有將要使用的終端MAC地址;(2)啟動無線基站，其作為唯一的網絡協調器建立和初始化ZigBee網絡;(3)啟動各無線測量終端，其作為網絡路由器加入ZigBee網絡，同時上傳本終端信息;(4)無線基站收集所有在線測量終端信息，向上位機智能溫濕度測量管理系統軟件報告網絡狀態(tài);(5)上位機向無線基站發(fā)送工程配置信息，無線基站廣播配置信息，根據配置啟動相關傳感器通道測量;(6)無線測量終端將測量數據通過路由傳送至無線基站，無線基站將數據匯集、處理、存儲并上傳給上位機智能溫濕度測量管理系統軟件分析處理;(7)網絡以固定時間間隔120 s進行路由信息維護，若某個無線測量終端離開網路，則向無線基站報告終端離開，并重新開始相關節(jié)點的路由發(fā)現，進行路由修復。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件使用LabWindows/CVI軟件編程，實現工程配置、傳感器校準和數據分析三大功能。工程配置實現的功能有：(1)傳感器分組設置;(2)按鍵/越限/周期/定時啟動模式設置;(3)按鍵/越限/超時停止測量設置;(4)采樣間隔設置;(5)報警參數設置。傳感器校準分為鉑電阻校準和濕度傳感器校準兩部分。鉑電阻校準通過在各溫度節(jié)點采集校準數據，利用PC強大的計算能力進行鉑電阻非線性擬合，生成校準參數并分析校準精度。濕度傳感器為線性輸出，只需線性校準即可。校準系數通過串口下載到測量終端。測量結束后，上位機導入SD卡中數據，產生報警信息并生成數據報表。上位機程序流程圖如圖4所示。

3.3 無線基站軟件和無線測量終端軟件設計

無線基站軟件實現下載測量工程文件、無線測量終端控制、測量數據匯集、存儲和上傳。軟件編程采用操作系統抽象層(OSAL)多任務資源分配機制，根據系統功能內聚性及時間緊迫程度按優(yōu)先級由高到低將任務劃分為網絡任務、串口任務、SD卡存儲任務和顯示任務。各任務初始化以后，系統處于空閑狀態(tài)，采用事件輪詢方式，當事件發(fā)生時，喚醒系統進行相應任務處理，處理完回到空閑狀態(tài)。若幾個事件同時發(fā)生，按優(yōu)先級依次處理。

無線測量終端軟件實現系統所有測量功能，主要包括網絡通信、傳感器通道測量、數據存儲、界面顯示、低功耗等任務。軟件同樣采用OSAL多任務處理機制，在系統空閑狀態(tài)進入睡眠狀態(tài)，系統外設全部關閉，極大地降低系統功耗。

4 系統測試

在PC上安裝上位機智能溫濕度測量管理系統軟件，使用串口連接電腦與無線基站，將10個無線測量終端分別布置在室外及室內，連續(xù)測量48小時室內外溫濕度變化情況。使用上位機智能溫濕度測量管理系統軟件讀取采樣數據并繪制數據變化曲線，部分數據顯示如圖5所示。圖中顯示了傳感器通道編號及其對應曲線顏色，表格左邊刻度為溫度，右邊刻度為濕度，曲線顯示了48小時內溫濕度變化情況。

系統測試顯示，該系統運行穩(wěn)定，網絡可靠，數據采集準確完整，系統具有良好的操作性。

本文設計了一種基于ZigBee無線Mesh網絡的溫濕度測量系統。該設計融合了嵌入式技術和無線傳感網絡技術，通過組建無線ZigBee網絡，無線測量終端作為路由器節(jié)點采用多跳傳輸的方式將數據傳送到無線基站，上位機軟件與無線基站通信，達到工業(yè)現場大范圍多點溫濕度測量的目的。無線網絡采用Mesh網絡的拓撲結構，采用AODV與Cluster-Tree相結合的路由算法，能夠實現快速路由發(fā)現和路由維護。目前，該系統已經成功應用于實驗室溫濕度標定和校準，也可搭載其他傳感器應用于相關物理量測量領域。