基于ZigBee無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )的溫濕度測量系統設計

目前，隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度不斷提升，溫濕度等生產(chǎn)環(huán)境要素監控智能化程度也在不斷發(fā)展。傳統測量設備功能單一，采用線(xiàn)纜連接各測量節點(diǎn)，測量系統架設復雜，數據處理實(shí)時(shí)性不高。隨著(zhù)短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)現場(chǎng)測量系統的網(wǎng)絡(luò )化、智能化得到快速提升。本文開(kāi)發(fā)了基于ZigBee無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )的溫濕度測量系統，具有網(wǎng)絡(luò )覆蓋能力強、測量精度高、現場(chǎng)架設便捷、系統智能化程度高的特點(diǎn)，適合工業(yè)現場(chǎng)大范圍溫濕度測量監控應用。

1 系統總體設計方案

無(wú)線(xiàn)溫濕度測量系統將現場(chǎng)溫濕度驗證記錄與ZigBee網(wǎng)絡(luò )融為一體，具備數據采集、存儲和處理分析的功能，用戶(hù)可通過(guò)上位機軟件掌握現場(chǎng)環(huán)境數據。系統總體結構由無(wú)線(xiàn)測量終端、無(wú)線(xiàn)基站和上位機構成。使用LabWindows/CVI編程開(kāi)發(fā)的上位機軟件，實(shí)現對無(wú)線(xiàn)基站和無(wú)線(xiàn)測量終端的管理、測量控制以及數據上傳處理。無(wú)線(xiàn)基站采用AT91SAM9263工業(yè)級微處理器，結合支持ZigBee應用的片上系統芯片CC2530作為硬件平臺，建立和維護整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)測量終端以低功耗處理器MSP430F2618作為控制核心，負責傳感器數據采集和處理，通過(guò)搭載的CC2530無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊加入現場(chǎng)測量網(wǎng)絡(luò )并上傳測量數據。

ZigBee網(wǎng)絡(luò )采用網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構，其網(wǎng)絡(luò )路由自動(dòng)建立和維護，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可通過(guò)多條路徑傳輸數據，即便某個(gè)節點(diǎn)離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )，與其關(guān)聯(lián)的節點(diǎn)自動(dòng)尋找其他路徑重新加入網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現路由修復，提高了網(wǎng)絡(luò )可靠性。ZigBee網(wǎng)絡(luò )中無(wú)線(xiàn)基站和無(wú)線(xiàn)測量終端分別作為協(xié)調器和路由器構成Mesh網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )覆蓋能力強，系統架設靈活。系統結構如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 無(wú)線(xiàn)基站

無(wú)線(xiàn)基站是無(wú)線(xiàn)溫濕度測量系統中的關(guān)鍵節點(diǎn)，一方面負責與上位機通信，獲取工程配置信息，測量結束后將各網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數據上傳至PC;另一方面創(chuàng )建和維護ZigBee網(wǎng)絡(luò )、實(shí)現無(wú)線(xiàn)測量終端的入網(wǎng)和管理、網(wǎng)絡(luò )數據匯集、存儲和轉發(fā)。無(wú)線(xiàn)基站采用AT91SAM9263作為控制核心，其內部嵌入了高達220MIPS(每秒百萬(wàn)條指令)的處理器內核，96 KB內部SRAM，支持外部總線(xiàn)以及豐富的外設資源。在A(yíng)T92SAM9263、外部DDRAM和NorFlash組成最小系統基礎上，結合ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊、串口通信、液晶顯示、SD卡存儲，實(shí)現相應功能。串口采用RS232電平與PC實(shí)現通信，LCD高彩色液晶顯示系統狀態(tài)及實(shí)時(shí)測量數據，SD卡保存所有節點(diǎn)歷史數據。

ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊采用CC2530高度集成片上系統芯片，結合外圍硬件電路及外置全向天線(xiàn)，配備TI標準ZStack-CC2530協(xié)議棧，作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，實(shí)現對無(wú)線(xiàn)測量終端的管理和數據傳輸。

無(wú)線(xiàn)基站框圖如圖2所示。

2.2 無(wú)線(xiàn)測量終端

無(wú)線(xiàn)測量終端以低功耗處理器MSP430F2618為核心，采用與無(wú)線(xiàn)基站同樣的CC2530片上系統芯片，主要實(shí)現溫濕度數據采集、存儲和上傳，作為網(wǎng)絡(luò )路由器節點(diǎn)完成轉發(fā)通信和路由維護等功能。無(wú)線(xiàn)測量終端主要包括MSP430F2618微處理器子系統、A/D轉換控制、ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、人機接口、SD卡存儲、電源管理等單元模塊。

溫度測量使用鉑電阻傳感器PT100;濕度測量采用濕度傳感器HC2，傳感器的輸出為0~1 V的電壓信號。傳感器數據采集使用分辨率為16位的Σ-Δ模數轉換芯片AD7715，與MSP430F2618微處理器采用SPI接口通信。無(wú)線(xiàn)測量終端9路鉑電阻和3路濕度傳感器測量通道復用一個(gè)A/D轉換芯片，通過(guò)I/O口控制模擬開(kāi)關(guān)和多路選擇器選擇需要測量的通道進(jìn)行采樣。

人機接口采用拓普微公司LM2068圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，液晶與MSP430F2618采用并口連接方式。系統集成的4個(gè)按鍵的小鍵盤(pán)，可用于開(kāi)/關(guān)機、啟動(dòng)測量和顯示界面切換。無(wú)線(xiàn)測量終端使用SD卡保存每個(gè)測量通道的數據，MSP430F2618采用SPI接口實(shí)現SD卡接口通信。

BQ27501芯片與微處理器之間通過(guò)I2C總線(xiàn)互連，實(shí)現鋰電池電量監測和管理。

無(wú)線(xiàn)測量終端框圖如圖3所示。

3 軟件設計

3.1 Mesh網(wǎng)絡(luò )路由設計

Mesh網(wǎng)絡(luò )的路由算法主要實(shí)現選擇快捷的路徑、節約網(wǎng)絡(luò )資源、減輕系統通信負荷、提高網(wǎng)絡(luò )通暢率。同時(shí)由于無(wú)線(xiàn)測量終端采用電池供電，在某個(gè)無(wú)線(xiàn)測量終端停電導致網(wǎng)絡(luò )拓撲結構發(fā)生變化的情況下，必須保證數據傳輸鏈路快速恢復。

Mesh網(wǎng)絡(luò )采用AODV算法與Cluster-Tree算法相結合的路由設計。Cluster-Tree算法中，不需要維護路由表，節點(diǎn)收到信息后立即傳輸給下一跳節點(diǎn)。該算法能夠減少路由協(xié)議的控制開(kāi)銷(xiāo)，但無(wú)法保證建立的路徑為最優(yōu)路徑，造成網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)通信流量分配嚴重失衡。AODV算法是一種按需驅動(dòng)路由協(xié)議，其路由過(guò)程分為路由發(fā)現和路由維護兩部分。當無(wú)線(xiàn)基站和無(wú)線(xiàn)測量終端之間需要通信時(shí)，源節點(diǎn)發(fā)起路由發(fā)現過(guò)程，廣播一個(gè)路由請求，鄰居節點(diǎn)收到路由請求后，判斷自己是否為該次路由發(fā)現的目標節點(diǎn)，若是則回復路由應答并在本路徑所有節點(diǎn)建立路由表，若不是則繼續轉發(fā)路由請求直至到達目標節點(diǎn)。路由維護是通過(guò)周期性地組播HELLO報文來(lái)獲知鄰居節點(diǎn)通信狀態(tài)，以確認路由完整。若某個(gè)節點(diǎn)下一跳離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )，則向上游節點(diǎn)報告路由斷開(kāi)信息，相關(guān)節點(diǎn)丟棄無(wú)效路由，源節點(diǎn)開(kāi)始重新路由發(fā)現。該算法能夠快速準確地創(chuàng )建從源節點(diǎn)到目標節點(diǎn)的路由，而且路由節點(diǎn)不需要保存整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的所有路由信息。當網(wǎng)絡(luò )中路由狀況發(fā)生變化時(shí)，其相關(guān)節點(diǎn)能夠快速響應，消除無(wú)效路由信息，實(shí)現路由表的自動(dòng)修復。

無(wú)線(xiàn)溫濕度測量系統的網(wǎng)絡(luò )通信遵循以下過(guò)程：(1)終端維護獲取所有將要使用的終端MAC地址;(2)啟動(dòng)無(wú)線(xiàn)基站，其作為唯一的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器建立和初始化ZigBee網(wǎng)絡(luò );(3)啟動(dòng)各無(wú)線(xiàn)測量終端，其作為網(wǎng)絡(luò )路由器加入ZigBee網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)上傳本終端信息;(4)無(wú)線(xiàn)基站收集所有在線(xiàn)測量終端信息，向上位機智能溫濕度測量管理系統軟件報告網(wǎng)絡(luò )狀態(tài);(5)上位機向無(wú)線(xiàn)基站發(fā)送工程配置信息，無(wú)線(xiàn)基站廣播配置信息，根據配置啟動(dòng)相關(guān)傳感器通道測量;(6)無(wú)線(xiàn)測量終端將測量數據通過(guò)路由傳送至無(wú)線(xiàn)基站，無(wú)線(xiàn)基站將數據匯集、處理、存儲并上傳給上位機智能溫濕度測量管理系統軟件分析處理;(7)網(wǎng)絡(luò )以固定時(shí)間間隔120 s進(jìn)行路由信息維護，若某個(gè)無(wú)線(xiàn)測量終端離開(kāi)網(wǎng)路，則向無(wú)線(xiàn)基站報告終端離開(kāi)，并重新開(kāi)始相關(guān)節點(diǎn)的路由發(fā)現，進(jìn)行路由修復。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件使用LabWindows/CVI軟件編程，實(shí)現工程配置、傳感器校準和數據分析三大功能。工程配置實(shí)現的功能有：(1)傳感器分組設置;(2)按鍵/越限/周期/定時(shí)啟動(dòng)模式設置;(3)按鍵/越限/超時(shí)停止測量設置;(4)采樣間隔設置;(5)報警參數設置。傳感器校準分為鉑電阻校準和濕度傳感器校準兩部分。鉑電阻校準通過(guò)在各溫度節點(diǎn)采集校準數據，利用PC強大的計算能力進(jìn)行鉑電阻非線(xiàn)性擬合，生成校準參數并分析校準精度。濕度傳感器為線(xiàn)性輸出，只需線(xiàn)性校準即可。校準系數通過(guò)串口下載到測量終端。測量結束后，上位機導入SD卡中數據，產(chǎn)生報警信息并生成數據報表。上位機程序流程圖如圖4所示。

3.3 無(wú)線(xiàn)基站軟件和無(wú)線(xiàn)測量終端軟件設計

無(wú)線(xiàn)基站軟件實(shí)現下載測量工程文件、無(wú)線(xiàn)測量終端控制、測量數據匯集、存儲和上傳。軟件編程采用操作系統抽象層(OSAL)多任務(wù)資源分配機制，根據系統功能內聚性及時(shí)間緊迫程度按優(yōu)先級由高到低將任務(wù)劃分為網(wǎng)絡(luò )任務(wù)、串口任務(wù)、SD卡存儲任務(wù)和顯示任務(wù)。各任務(wù)初始化以后，系統處于空閑狀態(tài)，采用事件輪詢(xún)方式，當事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統進(jìn)行相應任務(wù)處理，處理完回到空閑狀態(tài)。若幾個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，按優(yōu)先級依次處理。

無(wú)線(xiàn)測量終端軟件實(shí)現系統所有測量功能，主要包括網(wǎng)絡(luò )通信、傳感器通道測量、數據存儲、界面顯示、低功耗等任務(wù)。軟件同樣采用OSAL多任務(wù)處理機制，在系統空閑狀態(tài)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，系統外設全部關(guān)閉，極大地降低系統功耗。

4 系統測試

在PC上安裝上位機智能溫濕度測量管理系統軟件，使用串口連接電腦與無(wú)線(xiàn)基站，將10個(gè)無(wú)線(xiàn)測量終端分別布置在室外及室內，連續測量48小時(shí)室內外溫濕度變化情況。使用上位機智能溫濕度測量管理系統軟件讀取采樣數據并繪制數據變化曲線(xiàn)，部分數據顯示如圖5所示。圖中顯示了傳感器通道編號及其對應曲線(xiàn)顏色，表格左邊刻度為溫度，右邊刻度為濕度，曲線(xiàn)顯示了48小時(shí)內溫濕度變化情況。

系統測試顯示，該系統運行穩定，網(wǎng)絡(luò )可靠，數據采集準確完整，系統具有良好的操作性。

本文設計了一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò )的溫濕度測量系統。該設計融合了嵌入式技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，通過(guò)組建無(wú)線(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò )，無(wú)線(xiàn)測量終端作為路由器節點(diǎn)采用多跳傳輸的方式將數據傳送到無(wú)線(xiàn)基站，上位機軟件與無(wú)線(xiàn)基站通信，達到工業(yè)現場(chǎng)大范圍多點(diǎn)溫濕度測量的目的。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )采用Mesh網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構，采用AODV與Cluster-Tree相結合的路由算法，能夠實(shí)現快速路由發(fā)現和路由維護。目前，該系統已經(jīng)成功應用于實(shí)驗室溫濕度標定和校準，也可搭載其他傳感器應用于相關(guān)物理量測量領(lǐng)域。