基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)

1、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)董蘊華,石新峰(河南機電高等專科學(xué)校電子通信工程系,河南新鄉(xiāng)453002摘要:針對目前所使用的有線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的缺點,提出了一套基于Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案。根據(jù)溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)要求,設(shè)計了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件電路,并給出了軟件流程。該系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)通信,具有方便和安全的特點,解決了有線通信方式所存在的難以擴展、難以升級等問題,將有非常廣闊的應(yīng)用推廣前景。關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè);監(jiān)測系統(tǒng);無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中圖分類號:S126;TP274.5文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1003-188X(200907-0153-030引言環(huán)境溫度、濕度等

2、參數(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中是一種十分重要的數(shù)據(jù),特別是在糧庫、溫室、大棚等環(huán)境中溫度、濕度的測量和控制更為重要。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的基于有線通信系統(tǒng)的溫度、濕度監(jiān)測系統(tǒng)需要花費大量的人力物力鋪設(shè)線路,施工量大,安裝時間長,因此基于無線傳輸技術(shù)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。本文介紹了一種基于Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng),可以實時監(jiān)測糧庫或其它對環(huán)境參數(shù)要求嚴(yán)格的場所,管理者可以在控制室隨時了解現(xiàn)場的信息。當(dāng)參數(shù)超過設(shè)定值時立即進行聲光報警,并在監(jiān)控主機上顯示發(fā)生異常情況的地點,工作人員可以馬上采取措施,從而使糧庫、溫室等管理實現(xiàn)自動化、智能化。1Zig Bee技術(shù)收稿

3、日期:2008-10-30作者簡介:董蘊華(1975-,女,河北高陽人,講師,碩士,(E-mail dongyh8653。低功耗、低速率的特點,因而最適合作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。Zig Bee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為FF D(全功能設(shè)備和RF D(簡化功能設(shè)備兩種。其中,FF D設(shè)備也可作為協(xié)調(diào)器使用。FF D是具有路由與中繼功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,可以與RF D節(jié)點通信,也可以與別的FF D節(jié)點通信;RF D節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點,相互間不能直接通信,只能通過FF D節(jié)點發(fā)送和接收信息,不具有路由和中繼功能。RF D和FF D的硬件結(jié)構(gòu)完全相同,只是網(wǎng)絡(luò)層不一樣,協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)組織者,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建和信息路由。2系

4、統(tǒng)硬件設(shè)計2.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型Zig Bee傳感器節(jié)點(即Zig Bee RF D節(jié)點、Zig Bee FF D節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成,通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示1 。圖1溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器安裝在中央監(jiān)控室,負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò),并顯示當(dāng)前整個網(wǎng)絡(luò)的狀況,把收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機中。RF D安裝在需要監(jiān)測數(shù)據(jù)的位置,負(fù)責(zé)采集溫度濕度值,然后定期或有中斷時把數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。監(jiān)控人員在控制室通過顯示器就可以對環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測,無須到達現(xiàn)場。為了保證整個系統(tǒng)的可靠性,發(fā)射端一部

5、分是RF D節(jié)點,一部分是具有路由和中繼功能的FF D節(jié)點。傳感器的數(shù)據(jù)在Zig Bee RF D或FF D模塊中轉(zhuǎn)化為Zig Bee通信協(xié)議包,傳給就近的FF D模塊,以多跳通信的方式把數(shù)據(jù)包傳給Zig Bee協(xié)調(diào)器。Zig Bee協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)包后,一方面按原路徑返回收到確認(rèn)信息,以到達發(fā)送數(shù)據(jù)的RF D或FF D模塊,實現(xiàn)握手信號,完成一次完整的Zig Bee無線通信;另一方面,Zig2 Bee協(xié)調(diào)器收到的數(shù)據(jù)供顯示與管理。2.2信號采集電路溫度傳感器采用DALLAS公司推出的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20,該芯片的管腳簡單,無需任何外圍硬件即可方便地進行溫度測量,與單片機交換信息僅

6、需要一根I/0口線,多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上,CP U只需1根端口線就能與諸多DS18B20通信,占用微處理器的端口較少,可以節(jié)省大量的引線和邏輯電路。溫度測量范圍為-55 125,可編程為9l2位A/D轉(zhuǎn)換精度,被測溫度用符號擴展的l6位數(shù)字量方式串行輸出。因為DS18B20溫度傳感器芯片尺寸較小,可直接和電纜焊接在一起,外部用熱縮管緊固套牢組成測溫電纜,電纜的外部套上防鼠咬的套管。監(jiān)測現(xiàn)場需要測溫的地方,直接把電纜布線到測溫點即可2。濕度傳感器采用HS1101電容式傳感器。HS1101電容式傳感器將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為單片機易于接受的信號,可以將濕敏電容置于振蕩電路中

7、,組成多諧振蕩電路,將電容值的變化轉(zhuǎn)為與其呈反比的電壓頻率信號,可以直接被單片機計數(shù)器所采集3。這樣電路就可以方便地與單片機相連接,輸出信號為頻率型,靈敏度高、線性度好,具有優(yōu)良的重復(fù)性、分辨率和穩(wěn)定性。為了提高系統(tǒng)的靈敏度和線性度,從降低采集電路的成本等因素進行考慮,采用脈沖振蕩電路設(shè)計濕度采集電路。2.3數(shù)據(jù)傳輸單元數(shù)據(jù)傳輸單元中,無線傳輸控制器選用M icr ochi p 公司生產(chǎn)的具有SP I接口低功耗P I C18F4620芯片,射頻芯片選用Chi pcon公司生產(chǎn)的滿足 2.4GHz Zig Bee 產(chǎn)品使用要求的CC2420,這兩個芯片是本系統(tǒng)設(shè)計中最為關(guān)鍵的兩個部件。P I C

8、18F4620微控制器具有豐富的片上存儲功能,具有64k B Flash和3968字節(jié)RAM的存儲空間,而且該微控制器具有多種省電模式供選擇。該芯片具有13個10位A/D轉(zhuǎn)換器、多個I/O數(shù)據(jù)線,可以很容易用軟件對其進行編程和仿真,這些接口同時還可以用作與傳感單元的接口。 。圖2數(shù)據(jù)傳輸控制圖3系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1監(jiān)控中心軟件設(shè)計監(jiān)控中心軟件作為全功能系統(tǒng),負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和人機對話。監(jiān)控系統(tǒng)的使用最終是要面對用戶的,因此監(jiān)控軟件的開發(fā)將決定系統(tǒng)能否方便高效運行。由于W indows操作系統(tǒng)的普遍流行并且操作方便,所以本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示及處理使用W indows操作系統(tǒng)及V isual Basic開發(fā)

9、平臺。VB支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計,具有結(jié)構(gòu)化的事件驅(qū)動編程模式,而且可以十分簡便地做出良好的人機界面。監(jiān)控中心軟件設(shè)計包括系統(tǒng)自檢、用戶管理、數(shù)據(jù)讀取顯示、報警參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)分析等模塊,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3監(jiān)測系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖3.2監(jiān)測節(jié)點軟件設(shè)計監(jiān)測節(jié)點軟件作為簡單功能系統(tǒng),等待主機命令,傳輸本機點數(shù)據(jù)。監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖,如圖4所示。其中,最關(guān)鍵的部分是對數(shù)據(jù)的采集判斷:如果數(shù)據(jù)沒有異常則發(fā)送正常信息;如果有1個數(shù)據(jù)超標(biāo),則發(fā)出相應(yīng)的報警信號;同時,也可以監(jiān)測信息變化的過程,實時地傳輸采集的數(shù)據(jù),這些都可以由控制中心的具體指令控制。4結(jié)束語Zig Bee是一種新興的短距離、低成本和

10、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將其應(yīng)用于糧庫、溫室等環(huán)境溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)中,具有組網(wǎng)簡單、系統(tǒng)花費少、擴展網(wǎng)絡(luò)容易、通訊穩(wěn)定等優(yōu)點,在實際中有很好的應(yīng)用價值 。圖4監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖參考文獻:1魯照權(quán),黃梅初,杜征,等.基于Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)的大棚種植溫度監(jiān)測系統(tǒng)J.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36(13:5682-5684.2葉岑明,姚伯威.糧庫多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)J.中國測試技術(shù),2005(5:63-64.3賈少銳,李曉東,趙欣.智能溫室中多參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計J.農(nóng)機化研究,2008(5:99-101.Te mperature and Hu m i dity M on itor i

11、n g Syste m Based onW i reless Sensor NetworkDong Yunhua,Shi Xinfeng(Electr onic Communicati ons Engineering Depart m ent,Henan Mechanical and Electrical Engineering College,Xinxiang 453002,ChinaAbstract:A i m ed at the shortcom ing of current te mperature and hum idity monit oring syste m based on

12、wire communica2 ti on,this article has analyzed a te mperature and hu m idity monit oring syste m based on Zig Bee wireless sens or net w ork.It has designed the hard ware and s oft w are structure according t o the technical requir ment of monit oring syste m.The infor ma2 ti on communicati on by wireless data trans m i