基于CC2530-ZigBee的无线传感器网络的工业环境监测系统 无线传感网络课程设计
时间：2019-04-20 03:15:14 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
半导体电子行业主要面向精密微电子、集成芯片、光电元器件等产品的制造。在产品的生产、储存及运输过程中，对环境温湿度条件都有特殊要求，如果一些参数控制不当就会造成品质不稳定甚至产生废品，因此对其环境进行实时监测具有重大意义。
以往用于工业环境测量温湿度的传感器大多是有线方法传输数据，线路冗余复杂，不适合大范围多数量放置，布线成本高，线路老化问题也影响了其可靠性。要想从根本上解决这个问题，必须实现数据信息的自动获取，以及数据的无线传输及交换。
ZigBee技术，从IEEE802.15.4基础上发展起来的，是最新的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，该技术为上述问题的解决提供了很好的技术手段。
我们以CC2530为核心，设计了基于ZigBee协议的温度、湿度无线传感器网络，既可以克服有线传感器网络的局限性，又可以做到低成本、低功耗。其中，温度传感器采集范围是-40℃～+125℃，采集精度可达±0.5℃。其采用SPI数据接口与CC2530-Zigbee模块进行通信，大大简化了采集系统的设计。
图1系统总体结构图
系统结构设计
本文所介绍的工业环境监测无线传感器网络监测系统包含3类无线通信节点，分别为：若干个传感器节点、3个汇聚节点以及1个基站节点，如图1所示。其中，传感器节点部署在检测区，负责对环境进行温度、湿度的监测；汇聚节点放置在监测区边缘，用以接收和存储传感器节点的监测结果；基站节点连接汇聚节点与监控中心的计算机，负责传感器网络与信息管理计算机之间的通信。
1传感器节点(SensorNode)
传感器节点与温湿度测量传感器相连并布置在监测区，负责以特定的时间间隔采集温、湿度传感器的测量信息并将此信息存储在本地Flash上。为降低传感器节点的能耗，在各次测量完成后并不是马上向上级节点（汇聚节点）发送测量信息，而是在完成多次测量后将存储在本地Flash上的当天测量数据打包发往汇聚节点。当需要及时了解监测情况时，传感器节点也具备以独立数据包的形式向接收设备传送已存储测量结果的能力。
2汇聚节点(SinkNode)
汇聚节点布置在测量区域的边缘，负责接收和存储由各个传感器节点发送的温湿度测量结果。当汇聚节点接收到数据传送的命令后，向其上级节点（基站节点）发送Flash中保存的各传感器节点一段时期内的测量值。
3基站节点(CenterNode)
基站节点与监控中心的计算机相连，作为计算机和监测网络进行通信的桥梁。本系统用户的控制信息通过基站节点解析和打包为监测网络节点可以处理的数据实现对网络中各节点的控制，而网络节点中存储的温湿度测量结果也可以通过基站节点传送至信息管理计算机。在传感器节点和汇聚节点中，测量的原始数据以日志的形式进行存储，受节点存储能力的限制，已上传的数据会定期更新，而信息管理计算机则可提供一个比较完善的数据库服务。
传感器网络节点硬件设计
针对不同应用，传感器网络节点需要不同的通信、采集和处理模块以及不同的软件。因此，为了使节点能够具有较广的适用范围，必须使节点的各个模块能够方便的替换。本系统将节点从功能上分为：能量供应、计算处理、无线通信和数据采集4个硬件模块，如图2所示。这几个模块分别独立设计与实现并行的调试开发，可降低系统开发成本和研发周期以及系统投入使用后的管理与维护成本。各个模块通过I2C(Inter-integratedcircuit)互联，从而实现可扩展和替换的目的。
图2节点硬件模块图
CPU使用CC2530，它结合了一个完全集成的高性能的RF收发器和一个增强型8051微处理器，并支持IEEE802.15.4/ZigBee/ZigBeeRF4CE标准，拥有庞大的闪存空间最多可达256KB。
数据采集模块主要由温度、湿度等传感器及模数转换电路组成。由于传感器输出信号与CPU输入信号模式不一致，因此，传感器信号需通过信号调理后再进行模数转换，模数转换后的信号经光电隔离后送到CPU进行处理，以提高系统的抗干扰性能。
无线通信模块采用CC2530所集成的2.4GHzIEEE802.15.4标准射频收发器，它具有出色的接收灵敏度和抗干扰能力，可编程输出功率为+4.5dBm，总体无线连接链路质量101dBm，且只需要极少数的外部元件，支持运行网状网系统。
软件设计
当前网络节点硬件一般只能完成物理层的功能，物理层以上的功能都必须由软件来实现，因此，软件设计对整个节点的功能和资源利用具有很大的影响。
本系统软件包括三个部分：传感器节点模块，无线通信模块，监控中心管理。系统软件架构如图3所示。
图3系统软件结构图
传感器节点模块主要包括数据的采集，融合和发送。数据采集主要接收来自各个传感器的数据并经过低通滤波，数模转换后送入数据融合模块。数据融合主要是考虑到节点频繁发送数据，将消耗大量的能量，为此将采集到的初始数据进行处理提炼出我们所需要的温湿度等信息，再交给数据发送模块传送到监控中心进行处理。
1传感器节点模块
温湿度传感器采用飞比公司推出的“感应兄弟”系列高精度传感板，它可同时实现环境的温度与湿度数据的采集。其温度采集精度可达±0.5℃，湿度精度可达±3.5%RH。其采用双向两线串行数据接口与CC2530-Zigbee模块进行通信，大大节省了系统资源，简化了其采集系统的设计。传感器节点模块流程图如图4所示。首先对设备进行初始化，并加入网络，按时进行数据采集，当收到传递数据请求时，将数据发送至CC2530处理器，自身进入休眠状态。
2无线通信模块
ZigBee网络支持三种拓扑结构，即星状、树状和网状拓扑。本系统在TI协议栈的基础上，对协议栈进行了适当的修改和增减，以适应硬件电路的实际应用，组成树状传感器网络。无线通信模块流程图如图5所示，首先初始化CC2530，然后创建一个新网络，监测空气中有无ZigBee信号，如果有节点申请加入网络，网络协调器给节点分配网络地址，并存储器节点地址，发出传递数据请求信号，等待接收传感器发出的数据。如果终端设备发送来的是传感器测试数据值，就将数据规整后从串口发送给监控中心。
图4传感器节点模块流程图
图5无线通信模块流程图
3监测中心设计
监控中心控制分为用户界面模块、数据库模块、数据交换模块三大部分。其中，用户界面可以显示工业环境的温湿度等实时参数、历史数据、绘制实时和历史曲线，并具有超限报警、数据分析及报表打印输出等功能。数据库模块实现数据库的创建以及对数据库读写操作、查询等访问操作；通信模块可以实现与网关节点进行GPRS通信，从而实现数据的传输，以及将数据链接Internet实现远程数据共享。这样设计的一个创新点在于自主开发了WSN网络拓扑结构主机显示界面，可以实时显示网络拓扑结构及各节点的监测值、电池电量等节点信息，方便、直观、可视性强，而且具有历史数据存储功能。
图6高精度温湿度传感板
图7CC2530底板
图8温湿度显示界面
实验结果
系统的各个节点硬件采用模块化设计，高精度温湿度传感板如图6所示，传感器模块如图7所示。在天气晴朗空旷的地方，测得ZigBee节点之间的传输距离最大可以达到70m，工作在室内条件下有效传输距离超过30m，信号会出现中断现象。通过主机上的串口收发软件监视采集到的实时温度信息，能够很好地实现温度信息的读取。监视到的温湿度如图8所示。
结论
本文针对当前工业环境监测中面临的布线困难，难以维护，运营成本高和实时性差等问题，提出了基于无线传感器网络对工业环境进行在线监测的方法。着重讨论了无线传感器网络体系结构，网络节点软硬件设计以及通信模块的设计。在工业环境中采用无线传感器网络，可以利用其节点功耗低，工作时间长，成本低，能自组织的通信以及在危险区域和大面积监测中容易布置等特点，能够实现低成本连续在线监测，较以往的监测系统具有更大的优势。另外，该系统还有易于移植到其他应用领域的优点，例如，更换不同的传感器，该系统还可以很方便的应用于水环境的监测、森林火情及环境的监测、小区安防监控、公交系统定位等。
