基于GPRS技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

1、概述

溫濕度監(jiān)測的應(yīng)用需求在眾多領(lǐng)域引起了高度關(guān)注，糧庫、溫室大棚、工業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)等都需要實時地監(jiān)測環(huán)境溫濕度。在實際應(yīng)用中，參數(shù)采集點往往具有分布離散、移動性強等特點，導(dǎo)致傳統(tǒng)的有線監(jiān)測布線困難。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠程傳輸技術(shù)的發(fā)展，為系統(tǒng)自動化在線實時監(jiān)測提供了實現(xiàn)途徑?；赯igeBee無線模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)簡單靈活、在線壽命長及移動性強等優(yōu)點;而GPRS技術(shù)是中國移動推出的無線傳輸業(yè)務(wù)，采用分組交換技術(shù)，具有超強的穩(wěn)定性和可靠性。本次設(shè)計正是基十這兩種無線傳輸技術(shù)，以CC2530芯片為主體，實現(xiàn)了區(qū)域性傳感器數(shù)據(jù)采集與遠程數(shù)據(jù)傳輸。這種將PAN網(wǎng)絡(luò)和GSM公用網(wǎng)絡(luò)相融合的采集方法具有覆蓋范圍大、穩(wěn)定性強、精度高和應(yīng)用環(huán)境廣泛的優(yōu)勢。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖所示，該監(jiān)測系統(tǒng)由ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點、ZigBee數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)節(jié)點以及ZigBee數(shù)據(jù)采集移動接收終端構(gòu)成。ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點是用來采集傳感器數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)節(jié)點的一種精簡功能設(shè)備（RFD） 。網(wǎng)關(guān)節(jié)點由ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的全功能設(shè)備（FFD）和GSM模塊TC35i構(gòu)成，F(xiàn)FD在此又承擔(dān)著PAN網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器任務(wù)，所以又叫做協(xié)調(diào)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要功能是ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)通信接口之間的轉(zhuǎn)換。協(xié)調(diào)節(jié)點將收集到的數(shù)據(jù)通過RS232發(fā)送給GSM模塊，從而實現(xiàn)將無線個域網(wǎng)的數(shù)據(jù)匯聚并轉(zhuǎn)發(fā)到GSM公用網(wǎng)絡(luò);通過GSM網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)實時一地傳輸?shù)竭h程監(jiān)控中心或用戶移動終端。

3、系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 ZigBee無線模塊設(shè)計

本設(shè)計的ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點和控制節(jié)點都是采用CC2530作為主控芯片。CC2530內(nèi)部集成了符合2. 4G IEEE802.15. 4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，在軟件上添加ZigBee協(xié)議棧之后，可以實現(xiàn)ZigBee模塊組網(wǎng)。該芯片內(nèi)置了32M的品體振蕩器、16M和32.768K的RC振蕩器，在不同的應(yīng)用需求下，可以選擇對應(yīng)的振蕩器以降低功耗，如在體眠模式下就可以使用32. 768K的RC振蕩器。另外，CC2530還內(nèi)置了豐富的通信接口，如A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、SPI接口及UART通用串行口，能夠滿足目前大部分傳感器接口的應(yīng)用需求。所以，使用該芯片后，系統(tǒng)的采集功能具有很好的擴展性。

2.2 GSM通信模塊設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點的GSM通信采用西門子公司推出的支持中文短消息的工業(yè)級TC35i模塊，其GPRS模塊永久在線功能提供了最快的數(shù)傳速率。其體積小巧、功耗低，能提供數(shù)據(jù)、短信、語音、傳真等功能，可廣泛用于遙感測量記錄傳輸、遠程信息處理和電話等。下圖所示，SMS模塊主要包括接口電路、SIM片座電路和串口電路。TC35i電源供電范圍為DC3.3－4.8V。

3.3傳感器模塊設(shè)計

3.3.1溫度傳感器電路

本設(shè)計選用DS18B20作為溫度傳感器，是一種單總線數(shù)據(jù)溫度傳感器，測量范圍廣、精度高;通信時無需時鐘線，只需一根通信線，可與CC2530的任一普通IO口實現(xiàn)通信，本設(shè)計采用P1. 1。外圍電路配置非常簡單，只需1根4. 7kSZ的上拉電阻；1腳和3腳分別接地和電源（5V） ，2腳接數(shù)據(jù)端口。

3.3.2濕度傳感器電路

采用法國Humirel公司生產(chǎn)的HS1101作為濕度采集傳感器，測量范圍為0%一100% RH，誤差在士2% RH，年漂移量小。HS1101的電容量會隨著空氣濕度的變化而呈同性變化，將HS1101振蕩電路中所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大，再通過的A/D轉(zhuǎn)換模塊將輸出的直流電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)是基于Z-Stack協(xié)議棧的，采集節(jié)點的主要任務(wù)就是負責(zé)采集傳感器的數(shù)據(jù)，并且將處理后的采集數(shù)據(jù)通過ZigeBee無線模塊發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點。采集節(jié)點上電后，首先會進行硬件的相關(guān)初始化，包括時鐘初始化、無線寄存器初始化及通信接口等外圍模塊的初始化。然后，采集節(jié)點會掃描所有信道，尋找最佳的鄰居協(xié)調(diào)者，并請求加入。由于采集節(jié)點使用電池方式供電，節(jié)點的功耗要保持很低。軟件設(shè)計時，可以采用周期性發(fā)送的機制，節(jié)點只有在周期性喚醒時才會采集傳感器數(shù)據(jù)并且開啟無線通信功能，其他時間均處于眠狀態(tài)。采集節(jié)點軟件流程如圖所示。

5、結(jié)論

采用ZigBee技術(shù)與GPRS技術(shù)相結(jié)合的溫濕度智能監(jiān)測系統(tǒng)具有布置簡單、成本低、穩(wěn)定性高等特點，適用于人員不便達到的惡劣環(huán)境。該系統(tǒng)具有良好的擴展性，通過ZigBee數(shù)傳模塊簡單的二次開發(fā)即可實現(xiàn)多種環(huán)境參數(shù)采集。為了減少ZigBee數(shù)傳模塊無線通信的能量損耗和網(wǎng)絡(luò)擁塞，還可以在無線退避算法和數(shù)據(jù)融合方面作進一步的研究。

責(zé)任編輯：gt