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)絡技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究。

通過在目標區(qū)域內(nèi)設(shè)置傳感器，采用無線通信方式進行組網(wǎng)，實現(xiàn)目標區(qū)域的網(wǎng)絡覆蓋，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)存儲于后臺或遠程數(shù)據(jù)庫，并進行數(shù)據(jù)分析。

本文采用ZigBee芯片CC2530為控制核心，實時進行環(huán)境內(nèi)溫度，濕度參數(shù)監(jiān)測。并將實測值與目標值進行對比，若實測值超過目標閾值，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、濕度傳感器在目標區(qū)域，執(zhí)行溫度和濕度數(shù)據(jù)采集、預處理和發(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)絡的傳感器節(jié)點。在網(wǎng)絡協(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）對傳感器的信號進行采集和處理。

（2）對采集到的數(shù)據(jù)進行發(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、任務管理等。

無線通信模塊的功能包括：與其他節(jié)點進行無線通信，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)絡并建立節(jié)點間聯(lián)系，協(xié)調(diào)器給其他網(wǎng)絡設(shè)備分配網(wǎng)絡地址，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)進行分析判斷，或進行轉(zhuǎn)換合并；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊是將信息打包后進行發(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，需要一段時間預熱。程序初始化結(jié)束后，系統(tǒng)進入監(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射頻板上電并復位，運行剛才下載的程序。從PC機串口中可以讀出當時場所的溫度、濕度實驗數(shù)據(jù)。

5 Web應用程序演示

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，進入遠程數(shù)字溫度計模塊界面，在主界面右上角顯示“數(shù)據(jù)服務連接成功！”消息后即表示鏈接到智云服務中心，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)隨時隨地遠程獲取家居溫濕度等環(huán)境信息的功能。