基于Z—Stack的無線溫濕度采集系統(tǒng)
0引言
在現代工農業(yè)生產中,進行環(huán)境的溫濕度檢測是必不可少的內容。目前,很多場合的測溫濕系統(tǒng)采用的還是傳統(tǒng)的有線測溫濕度設備,傳統(tǒng)的多點分布式溫濕度測量系統(tǒng)采用有線傳輸方式,需要在現場進行大量布線,這給系統(tǒng)的布設、維護和更新升級帶來諸多不便。
ZigBee是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術,主要用于近距離無線連接。它依據IEEE 802.1 5.4標準,在數千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現通信。它使用2.4GHz波段,采用調頻及擴頻技術,具有短時延、網絡容量大等特點。Z igBee無線網絡主要是為工農業(yè)現場自動化控制數據傳輸而建立。本文設計了一種基于無線射頻技術的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng),它以射頻芯片CC2430為核心,在數字溫濕度傳感器SHT11的配合下,在ZigBee協(xié)議棧的基礎上進行應用開發(fā),能夠高效地完成環(huán)境溫濕度的無線監(jiān)測,可以有效解決復雜布線帶來的不便。
1系統(tǒng)原理
本文設計的是基于Z—Staek的無線溫濕度數據采集系統(tǒng),在TI的Z—Stack 1.4.2協(xié)議棧的基礎上,實現無線組網及通信。即協(xié)調器自動組網,終端節(jié)點(附帶溫濕度傳感器)自動入網,并采集溫濕度數據廣播傳輸,協(xié)調器接收到信息后將溫濕度數據通過串口發(fā)送給PC計算機顯示。以此實現基于Z—Stack協(xié)議棧的溫濕度數據的無線透明傳輸,其原理框圖如圖1所示。
本系統(tǒng)主要由五個單元模塊構成:數字溫濕度傳感器、傳感器節(jié)點、協(xié)調器、上位機和能量供應模塊組成。數字溫濕度傳感器模塊,負責區(qū)域內的溫濕度信息采集和數據轉換;傳感器節(jié)點中的微控制器負責控制整個傳感器節(jié)點的操作和數據存儲;ZigBee無線收發(fā)模塊負責對信號進行處理發(fā)送;傳感器節(jié)點由溫濕度傳感器SHT11檢測得到溫濕度信息,并轉化為數字信號,傳輸至CC2430,由CC2430負責對信號進行處理發(fā)送。節(jié)點電源部分使用兩節(jié)AA電池,通過一個電壓轉換芯片BL8555將電壓轉化成3.3 V.其中協(xié)調器是匯聚節(jié)點,多個溫濕度傳感器節(jié)點放置于不同的監(jiān)測區(qū)域,每個傳感器都會把采集的溫濕度送給傳感器節(jié)點,再由傳感器節(jié)點把數據通過ZigBee無線傳輸給協(xié)調器,然后協(xié)調器統(tǒng)一把數據傳送給上位機做進一步處理和顯示。
2硬件設計
2.1傳感器節(jié)點硬件設計
傳感器節(jié)點主要由數字溫濕度傳感器、微控制器及無線通信電路組成。傳感器節(jié)點的主控制器實時采集處理溫濕度數據后,將數據傳遞給CC2430無線通信模塊,以實現數據的定時發(fā)送。
2.2通信節(jié)點硬件設計
協(xié)調器負責建立無線網絡、發(fā)送網絡信標、存儲網絡節(jié)點信息、對消息進行路由選擇等任務,其硬件組成主要包括處理器、時鐘電路、存儲器、電平轉換電路、天線等部分。在本系統(tǒng)中協(xié)調器節(jié)點采用CC2430為核心的控制器,它只需少量的外圍電路即可實現無線通信功能,硬件電路如圖2所示。
3軟件設計
本系統(tǒng)基于TI的Z—Stack協(xié)議棧,Z—Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構建,采用事件輪詢機制,當各層初始化之后,系統(tǒng)進入低功耗模式,當事件發(fā)生時,喚醒系統(tǒng),開始進入中斷處理事件,結束后繼續(xù)進入低功耗模式,如果同時有幾個事件發(fā)生,判斷優(yōu)先級,逐次處理事件。整個Z—Stack的主要工作流程,大致分為系統(tǒng)啟動,驅動初始化,OSAL初始化和啟動,進入任務輪循幾個階段,Z—Stack系統(tǒng)運行流程如圖3所示。
3.1節(jié)點軟件設計
在本采集系統(tǒng)中,各節(jié)點的系統(tǒng)底層采用TI公司的Z—Stack協(xié)議棧,各節(jié)點的network_specific參數配置相同。協(xié)調器首先在某個頻段發(fā)起一個網絡,網絡頻段的定義放在DEFAULT_CHANLIST配置文件里,并根據ZDAPP_CONFIG_PANID的定義建立PAN ID,并掃描DEFAULT_CHANLI ST指定的所有信道,并選擇最佳信道組建網絡。傳感器節(jié)點啟動后,掃描DEFAULT_CHANLIST所指定的信道并根據ZDAPP_CONFIG_PANID所定義的PANID自動加入網路。各節(jié)點的軟件流程如圖4,圖5所示。
3.2溫濕度傳感器采集流程圖
與CC2430相連DATA、SCK兩引腳,通過SCK引腳線可以實現對SHT11的控制,通過DATA引腳線可以傳輸傳感器采集的數據,本系統(tǒng)中溫濕度傳感器的時鐘線與傳感器節(jié)點CC2430的P0_0線連接,數據線與P0_1線相連,采集中設置SHT11的工作精度為14位溫度,12位的濕度測量,總流程圖如圖6所示,讀取溫濕度流程圖如圖7所示。
3.3基于Z—Stack協(xié)議棧的溫濕度數據無線透明傳輸的實現
在Z-Stack協(xié)議棧中,協(xié)調器自啟動,節(jié)點設備自動入網之后,兩者建立無線通信,數據的發(fā)送主要有兩種方式,一種為周期定時發(fā)送信息,另一種需要通過按鍵事件觸發(fā)發(fā)送FLASH信息,在本設計中采用周期定時廣播的方式發(fā)送ZigBee節(jié)點端采集到的溫濕度數據。在Z-Stack中,每個應用任務都通過調用應用層的ProcessEvent()函數來處理任務事件,在ProcessEvent()中有一個事件處理循環(huán),循環(huán)檢測事件的發(fā)生。因此在節(jié)點模塊端的SampleApp_SendPeriodicMessage周期信息發(fā)送函數中添加溫濕度采集函數,并通過AF_DataRequest()函數接口實現溫濕度數據的無線發(fā)送,同樣在協(xié)調器信息處理函數SampleAPP_MessageCB中,添加溫濕度數據處理和發(fā)送函數,并在協(xié)調器的應用層通過檢測AF_INCOMING_MSG_CMD消息事件來判斷是否有數據收到,有數據時,將捕獲的溫濕度數據處理后,以字符串的形式通過串口顯示在PC機的終端中。利用超級終端接收到的溫濕度數據如圖8所示。
4結論
本系統(tǒng)在啟動協(xié)調器模塊后,能實現自動組網,節(jié)點端自動入網,并能將采集的溫濕度數據廣播發(fā)送給協(xié)調器,協(xié)調器接收到信息后通過串口將接收到的溫濕度數據發(fā)送給PC機,本系統(tǒng)具有低復雜度、低功耗、短時延、網絡容量大等特點,并解決了傳統(tǒng)的有線傳輸方式,需要在現場進行大量布線,系統(tǒng)的布設、維護和更新升級的困擾,系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠,能精確實現溫濕度數據的采集、傳輸,在實際中有很好的應用價值。
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