基于 ZigBee 的環(huán)境檢測系統(tǒng)設(shè)計 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 【摘要】 環(huán)境檢測系統(tǒng)主要由傳感檢測網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器以及終端應(yīng)用組成。傳感檢測網(wǎng)絡(luò)基于 ZigBee 協(xié)議，由分布于各個待檢測區(qū)域的環(huán)境檢測節(jié)點組成。傳感器節(jié)點分為父節(jié)點和子節(jié)點，上電后父節(jié)點建立的網(wǎng)絡(luò)，子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)測試，子節(jié)點可向父節(jié)點周期性地上傳環(huán)境數(shù)據(jù)。用戶通過手機或平板電腦接入移動網(wǎng)絡(luò)隨時掌握被測網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境信息。 【關(guān)鍵詞】 環(huán)境檢測 傳感器網(wǎng)絡(luò) ZigBee Abstract： Environment detection system is mainly composed of sensing monitoring networks， gateways， the servers and terminal applications. Sensing monitoring network is composed of environmental detection node distributing in each area which is to be detected based on the ZigBee protocols. Sensor nodes can be divided into parent and child nodes. The parent nodes set up the network and the child nodes join the network when power is on .Child nodes will upload the environmental data to the parent nodes periodically. Users who have a mobile phone or a tablet can access to the network to get the environmental information of the network which is being detected at any moment. Key words： environmental monitoring； sensor network； ZigBee 一、引言 隨著社會與經(jīng)濟的發(fā)展，我國工業(yè)化程度逐漸提高，使得環(huán)境檢測與控制的應(yīng)用需求越來越大。比如，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)制造、環(huán)境保護、室內(nèi)居住等等。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，也不斷地改變著環(huán)境檢測的技術(shù)，使環(huán)境檢測變得數(shù)字化、系統(tǒng)化、智能化。目前的環(huán)境檢測技術(shù)，運用高精度，低誤差的傳感器網(wǎng)絡(luò)，將環(huán)境參數(shù)變?yōu)閿?shù)字信號，再送入主控器分析和處理，然后智能化控制進行進一步的操作，比如報警、降溫、開窗、語音播報等操作。 本文提出一種基于 MSP430F5418 和 CC1120 的嵌入式遠(yuǎn)程環(huán)境檢測系統(tǒng)的方案，實時檢測當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 下的溫度、濕度、光強度信息，并可進行語音播報。該設(shè)計可應(yīng)用于大棚種植的環(huán)境監(jiān)控、室內(nèi)居住環(huán)境的檢測、森林火災(zāi)預(yù)警、城市環(huán)境動態(tài)監(jiān)控等。 二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 智能環(huán)境檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，主要由傳感檢測網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和終端應(yīng)用組成。傳感檢測網(wǎng)絡(luò)基于ZigBee 協(xié)議，由分布于各個待檢測區(qū)域的環(huán)境檢測節(jié)點組成。每個檢測儀節(jié)點由信息采集模塊、 MSP430F5418 控制模塊、語音播報模塊、人機交互模塊， CC1120 無線模塊組成。網(wǎng)關(guān)完成 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的對接。而服務(wù)器則負(fù)責(zé)接收來自于傳感檢 測網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的環(huán)境數(shù)據(jù)，并進行分析，存儲，處理指令等操作，終端應(yīng)用設(shè)計為手機安卓程序，可以查詢權(quán)限范圍內(nèi)節(jié)點的環(huán)境信息和遠(yuǎn)程發(fā)送升溫，除濕等指令。 2.1 傳感器節(jié)點設(shè)計 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點系統(tǒng)框圖如圖 2 所示，主控芯片MSP430F5418 分別與信息采集模塊、按鍵液晶模塊、語音模塊、 CC1120 模塊連接。每個節(jié)點都具有人機交互和語音播報功能。 MSP430F5418 上電后在不工作時處于低功耗模式，僅通過中斷喚醒芯片處理事務(wù)，以達到節(jié)能目的。傳感器節(jié)點由父節(jié)點和子節(jié)點組成，父節(jié)點建立網(wǎng)絡(luò)，子節(jié)點通 過掃描網(wǎng)絡(luò)加入父節(jié)點建立的網(wǎng)絡(luò)。子節(jié)點在網(wǎng)內(nèi)時將周期性地向父節(jié)點上傳溫度，光強度以及濕度數(shù)據(jù)。子節(jié)點與父節(jié)點都具有掉網(wǎng)重連功能。 2.1.1 信息采集模塊 信息采集模塊如圖 3 所示，由溫度采集電路，濕度采集電路和光強度采集電路組成，完成環(huán)境參數(shù)采集的功能。在溫度采集電路中，選用 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器測量溫度，該傳感器精度高，反應(yīng)靈敏，且與 MSP430F5418 連接簡單。 MSP430F5418 通過時序讀寫控制，讀出 DS18B20 當(dāng)前采集的溫度。濕度與光強度采集均選用電阻式傳感器，傳感 器將濕度與光照信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換及運算后變?yōu)閿?shù)字信號。在濕度采集電路中，電阻式濕度傳感器型號為CHR_01。 2.1.2 信息顯示與語音播報 信息顯示與語音播報模塊由按鍵液晶模塊與 ISD4004語音模塊構(gòu)成。液晶屏顯示環(huán)境信息和按鍵的操作提示，操作者通過按鍵控制語音播報等功能。語音芯片通過 SPI 接口與主控單片機 MSP430F5418 通信，由于芯片的通信協(xié)議 SS 管腳并未完全符合標(biāo)準(zhǔn)四線 SPI 協(xié)議，因此，程序設(shè)計時采用三線 SPI 模式同時模擬控制 SS 管腳的電平變化。該語音芯片可錄 放 8 至 16 分鐘語音， 3V 單電源工作，采用 CMOS 技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。 2.2 通信設(shè)計 本系統(tǒng)通信包括傳感器節(jié)點之間的通信、 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器的通信、服務(wù)器和終端應(yīng)用間的通信。網(wǎng)關(guān)完成ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)間的轉(zhuǎn)換，使父節(jié)點和子節(jié)點的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。服務(wù)器和終端應(yīng)用通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。傳感器節(jié)點間的無線通信模塊選用 TI 公司生產(chǎn)的CC1120 ，其與 MSP430F5418 的通信方式和語音芯片 ISD4004相同，均用三線 SPI 并模擬 CSn 管進行通信。經(jīng)過該通信過程 服務(wù)器由一臺遠(yuǎn)程電腦擔(dān)任，不僅需要負(fù)責(zé)記錄從傳感器網(wǎng)絡(luò)傳回的數(shù)據(jù)，還需要回應(yīng)應(yīng)用端的數(shù)據(jù)請求。終端應(yīng)用設(shè)計為 Android 程序，用戶通過手機或平板電腦接入移動網(wǎng)絡(luò)隨時掌握被測網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境信息。 三、軟件設(shè)計 環(huán)境檢測系統(tǒng)軟件介紹傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的程序設(shè)計。傳感器節(jié)點主程序流程圖如圖 5 所示， MSP430F5418 上電后初始化射頻、語音芯片和顯示屏等模塊。接著開啟傳感器獲取環(huán)境信息的中斷，再運行 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)程序， 通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換將環(huán)境信息上傳至服務(wù)器上。 3.1 數(shù)據(jù)采集處理 傳感器采集的溫度，濕度和光強度信息存在一定的波動，對采集到的數(shù)據(jù)進行再處理使環(huán)境信息變得更穩(wěn)定，提高其可讀性。傳感器溫度處理程序流程圖，在定時器中斷中，通過 DS18B20 讀取一次溫度數(shù)據(jù)，選取最近讀取的 20 次溫度數(shù)據(jù)，首先溫度數(shù)據(jù)進行去噪濾波，再對剩余的溫度數(shù)據(jù)求平均值。所得的均值即視為當(dāng)前溫度值。 濕度信息在濕度 AD 中斷函數(shù)中處理。濕敏電阻將環(huán)境的濕度信息轉(zhuǎn)換為電壓信號，由 MSP430F5418 通 過 AD 采樣讀取該值。每一次 AD 采樣后，先判斷與前一次處理后的濕度數(shù)據(jù)的差異，若差異高于一個門限值，則判定為出錯數(shù)據(jù)，舍棄。若判定為正確濕度信息，則對最近 5 次判斷的濕度信息求平均，該平均值被認(rèn)定為當(dāng)前環(huán)境的濕度值。 光強度的采集和濕度采集相似，通過光敏電阻將光強信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺儆?MSP430F5418 經(jīng) AD 采樣并處理后得出光強信息。不同的是，光強信息的變化率比溫度和濕度大，采樣所得的信息不超過最大光強閾值都被判定為當(dāng)前光強度值，提高了反應(yīng)靈敏度，但減小了穩(wěn)定度。 3.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計 傳感器網(wǎng)絡(luò)采用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將節(jié)點分為父節(jié)點和子節(jié)點。如果傳感器節(jié)點接收到父節(jié)點發(fā)送的連接成功信息，則會發(fā)送一個成功傳輸響應(yīng)信息以確認(rèn)接收，然后傳感器節(jié)點 MAC 層將通過 MLME_ASSOCIATE.confirm 原語通知網(wǎng)絡(luò)層，父節(jié)點接收到傳感器節(jié)點的成功傳輸響應(yīng)信息后，將通過 MLME_COMM_STATUS.indication 原語將傳輸成功的響應(yīng)狀態(tài)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)層。 通過已經(jīng)組建好的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，父節(jié)點便能很方便地與傳感器節(jié)點進行無線通信，通過指令可控制子節(jié)點向父節(jié)點周期 性地上傳數(shù)據(jù)，通過父節(jié)點可控制傳感器節(jié)點，如停止采集數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)等。 3.3 人機交互設(shè)計 本系統(tǒng)人機交互設(shè)計由終端手機 Android 程序和傳感器節(jié)點處的人機交互模塊組成。 Android 程序?qū)崿F(xiàn)終端信息的顯示和命令的交互，傳感器節(jié)點處的人機交互通過簡單的矩陣按鍵、 LCD 和語音模塊組成。 LCD 屏顯示按鍵的操作提示，通過按鍵可以控制語音播報的內(nèi)容。語音播報是將所需要的語音數(shù)據(jù)先導(dǎo)入語音芯片，并記錄每一語音數(shù)據(jù)的地址。當(dāng)需要播報該語音數(shù)據(jù)的時候，通過查表法導(dǎo)出語音數(shù)據(jù)，通過功放電路播放語音。 四、總結(jié)與展望 在誤差在允許的范圍內(nèi)，我們已完成環(huán)境信息的采集與顯示，并可進行語音播報。現(xiàn)階段已加入 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行管理，且通過該網(wǎng)絡(luò)可將各個節(jié)點的環(huán)境信息周期性地上傳至服務(wù)器。我們正致力于開發(fā)遠(yuǎn)程應(yīng)用端Android 程序，在實時顯示傳感器目前的環(huán)境信息的基礎(chǔ)上增加更多的功能。 參 考 文 獻 1 ZigBee Alliance. ZigBee specification 2008DB/OL. 2012-8-10. http： /.ZigB 2 沈建華，楊艷琴，瞿驍 . MSP430 系列 16 位超低功耗單片機原理與應(yīng)用 M. 北京：清華大學(xué)出版社， 2004 3 趙廣林 . 新型語音芯片應(yīng)用手冊 M. 北京：電子工業(yè)出版社， 2008 4 樊尚春 . 傳感器技術(shù)及應(yīng)用 M. 第 2 版 . 北京：北京航天航空大學(xué)出版社， 2010 5 韓九強，周杏鵬 . 傳感器與檢測技術(shù) M. 北京：清華大學(xué)出版社， 2010 閱讀相關(guān)文檔 :SSLVPN 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在企業(yè)信息系統(tǒng)中的應(yīng)用 鐵路通信光 電纜排遷割接的施工技術(shù)探索 一種頻率廣播策略在短波組網(wǎng)中的應(yīng)用 中國民生銀行手機銀行營銷策略分析 數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)在調(diào)度集控系統(tǒng)實時延伸網(wǎng)的應(yīng)用及優(yōu)化 TDSCDMA 高速下行分組接入技術(shù)應(yīng)用 淺談移動通信技術(shù)的演進及發(fā)展 試論通信傳輸纜線的信號問題和應(yīng)對措施 高職通信專業(yè)教育多元化評價機制 4G 移