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基于Zigbee的無線溫濕度計

時間:2017-09-27 14:36:02來源:控制雜志第5期

導語:?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。

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。

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