基于Z—Stack的無(wú)線(xiàn)溫濕度采集系統

0引言

在現代工農業(yè)生產(chǎn)中，進(jìn)行環(huán)境的溫濕度檢測是必不可少的內容。目前，很多場(chǎng)合的測溫濕系統采用的還是傳統的有線(xiàn)測溫濕度設備，傳統的多點(diǎn)分布式溫濕度測量系統采用有線(xiàn)傳輸方式，需要在現場(chǎng)進(jìn)行大量布線(xiàn)，這給系統的布設、維護和更新升級帶來(lái)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接。它依據IEEE 802.1 5.4標準，在數千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調實(shí)現通信。它使用2.4GHz波段，采用調頻及擴頻技術(shù)，具有短時(shí)延、網(wǎng)絡(luò )容量大等特點(diǎn)。Z igBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )主要是為工農業(yè)現場(chǎng)自動(dòng)化控制數據傳輸而建立。本文設計了一種基于無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)的溫濕度監測系統，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(jìn)行應用開(kāi)發(fā)，能夠高效地完成環(huán)境溫濕度的無(wú)線(xiàn)監測，可以有效解決復雜布線(xiàn)帶來(lái)的不便。

1系統原理

本文設計的是基于Z—Staek的無(wú)線(xiàn)溫濕度數據采集系統，在TI的Z—Stack 1.4.2協(xié)議棧的基礎上，實(shí)現無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)及通信。即協(xié)調器自動(dòng)組網(wǎng)，終端節點(diǎn)（附帶溫濕度傳感器）自動(dòng)入網(wǎng)，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(guò)串口發(fā)送給PC計算機顯示。以此實(shí)現基于Z—Stack協(xié)議棧的溫濕度數據的無(wú)線(xiàn)透明傳輸，其原理框圖如圖1所示。

本系統主要由五個(gè)單元模塊構成：數字溫濕度傳感器、傳感器節點(diǎn)、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，負責區域內的溫濕度信息采集和數據轉換；傳感器節點(diǎn)中的微控制器負責控制整個(gè)傳感器節點(diǎn)的操作和數據存儲；ZigBee無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊負責對信號進(jìn)行處理發(fā)送；傳感器節點(diǎn)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(jìn)行處理發(fā)送。節點(diǎn)電源部分使用兩節AA電池，通過(guò)一個(gè)電壓轉換芯片BL8555將電壓轉化成3.3 V.其中協(xié)調器是匯聚節點(diǎn)，多個(gè)溫濕度傳感器節點(diǎn)放置于不同的監測區域，每個(gè)傳感器都會(huì )把采集的溫濕度送給傳感器節點(diǎn)，再由傳感器節點(diǎn)把數據通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸給協(xié)調器，然后協(xié)調器統一把數據傳送給上位機做進(jìn)一步處理和顯示。

2硬件設計

2.1傳感器節點(diǎn)硬件設計

傳感器節點(diǎn)主要由數字溫濕度傳感器、微控制器及無(wú)線(xiàn)通信電路組成。傳感器節點(diǎn)的主控制器實(shí)時(shí)采集處理溫濕度數據后，將數據傳遞給CC2430無(wú)線(xiàn)通信模塊，以實(shí)現數據的定時(shí)發(fā)送。

2.2通信節點(diǎn)硬件設計

協(xié)調器負責建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、發(fā)送網(wǎng)絡(luò )信標、存儲網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)信息、對消息進(jìn)行路由選擇等任務(wù)，其硬件組成主要包括處理器、時(shí)鐘電路、存儲器、電平轉換電路、天線(xiàn)等部分。在本系統中協(xié)調器節點(diǎn)采用CC2430為核心的控制器，它只需少量的外圍電路即可實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信功能，硬件電路如圖2所示。

3軟件設計

本系統基于TI的Z—Stack協(xié)議棧，Z—Stack采用操作系統的思想來(lái)構建，采用事件輪詢(xún)機制，當各層初始化之后，系統進(jìn)入低功耗模式，當事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統，開(kāi)始進(jìn)入中斷處理事件，結束后繼續進(jìn)入低功耗模式，如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。整個(gè)Z—Stack的主要工作流程，大致分為系統啟動(dòng)，驅動(dòng)初始化，OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段，Z—Stack系統運行流程如圖3所示。

3.1節點(diǎn)軟件設計

在本采集系統中，各節點(diǎn)的系統底層采用TI公司的Z—Stack協(xié)議棧，各節點(diǎn)的network_specific參數配置相同。協(xié)調器首先在某個(gè)頻段發(fā)起一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )。傳感器節點(diǎn)啟動(dòng)后，掃描DEFAULT_CHANLIST所指定的信道并根據ZDAPP_CONFIG_PANID所定義的PANID自動(dòng)加入網(wǎng)路。各節點(diǎn)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(guò)SCK引腳線(xiàn)可以實(shí)現對SHT11的控制，通過(guò)DATA引腳線(xiàn)可以傳輸傳感器采集的數據，本系統中溫濕度傳感器的時(shí)鐘線(xiàn)與傳感器節點(diǎn)CC2430的P0_0線(xiàn)連接，數據線(xiàn)與P0_1線(xiàn)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(wú)線(xiàn)透明傳輸的實(shí)現

在Z-Stack協(xié)議棧中，協(xié)調器自啟動(dòng)，節點(diǎn)設備自動(dòng)入網(wǎng)之后，兩者建立無(wú)線(xiàn)通信，數據的發(fā)送主要有兩種方式，一種為周期定時(shí)發(fā)送信息，另一種需要通過(guò)按鍵事件觸發(fā)發(fā)送FLASH信息，在本設計中采用周期定時(shí)廣播的方式發(fā)送ZigBee節點(diǎn)端采集到的溫濕度數據。在Z-Stack中，每個(gè)應用任務(wù)都通過(guò)調用應用層的ProcessEvent（）函數來(lái)處理任務(wù)事件，在ProcessEvent（）中有一個(gè)事件處理循環(huán)，循環(huán)檢測事件的發(fā)生。因此在節點(diǎn)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(guò)AF_DataRequest（）函數接口實(shí)現溫濕度數據的無(wú)線(xiàn)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(guò)檢測AF_INCOMING_MSG_CMD消息事件來(lái)判斷是否有數據收到，有數據時(shí)，將捕獲的溫濕度數據處理后，以字符串的形式通過(guò)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

本系統在啟動(dòng)協(xié)調器模塊后，能實(shí)現自動(dòng)組網(wǎng)，節點(diǎn)端自動(dòng)入網(wǎng)，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(guò)串口將接收到的溫濕度數據發(fā)送給PC機，本系統具有低復雜度、低功耗、短時(shí)延、網(wǎng)絡(luò )容量大等特點(diǎn)，并解決了傳統的有線(xiàn)傳輸方式，需要在現場(chǎng)進(jìn)行大量布線(xiàn)，系統的布設、維護和更新升級的困擾，系統運行穩定、可靠，能精確實(shí)現溫濕度數據的采集、傳輸，在實(shí)際中有很好的應用價(jià)值。

...........................................................

與非深度解讀系列:

半導體公司“大學(xué)計劃”的追問(wèn)和真相

大環(huán)境的不景氣是就業(yè)環(huán)境惡化的元兇，但是也讓我們不禁追問(wèn)半導體公司的大學(xué)計劃對于學(xué)子們的真正意義。廠(chǎng)商們的大學(xué)計劃都在做些什么？那么多的聯(lián)合實(shí)驗室有得到充分利用嗎？大學(xué)計劃的直接體驗者--老師和學(xué)生們是否真正從中受益…….【專(zhuān)欄作者：高揚】

本土IC公司調查筆記

全球經(jīng)濟不景氣的大環(huán)境下一些本土IC公司的創(chuàng )新能力、管理能力、抗風(fēng)險能力、盈利能力，甚至公司創(chuàng )立的動(dòng)機都受到一些質(zhì)疑。一方面官方的消息總是告訴我們中國的半導體產(chǎn)業(yè)得到了長(cháng)足的進(jìn)步；而街巷小道中又不絕流傳多少本土IC公司倒閉，多少公司靠欺騙，根本沒(méi)有核心競爭力….真相只有一個(gè)，也許會(huì )隨《本土IC公司調查筆記》慢慢開(kāi)啟…【專(zhuān)欄作者：岳浩】

電子屌絲的技術(shù)人生系列

在這個(gè)系列里，每個(gè)故事都會(huì )向你展示一個(gè)普通工程師的經(jīng)歷，他們的青蔥歲月和技術(shù)年華，和我們每個(gè)人的的生活都有交集。對自己、對公司、對產(chǎn)業(yè)、對現在、對未來(lái)、對技術(shù)、對市場(chǎng)、對產(chǎn)品、對管理的看法，以及他們的經(jīng)歷或正在經(jīng)歷的事情，我們可以看到自己的影子，也看清未來(lái)的樣子……【專(zhuān)欄作者：任亞運】

細說(shuō)電子分銷(xiāo)江湖的那些事

對于從事電子分銷(xiāo)行業(yè)的同仁們來(lái)說(shuō)這是一個(gè)最壞的年代，也是一個(gè)最好的年代，我們即面臨國際分銷(xiāo)巨頭在管理、資金、貨源等方面對我們造成的沖擊，又迎來(lái)本土集成電路的崛起，個(gè)性化服務(wù)盛行的機遇，通過(guò)這個(gè)系列，我想以“第一現場(chǎng)”的經(jīng)歷帶大家一起了解國內集成電路分銷(xiāo)的那些年、那些事，以及哪些感慨…..【專(zhuān)欄作者：張立恒】

與非網(wǎng)專(zhuān)欄作者申請

聯(lián)系人：高揚

郵箱：gaoyang@eefocus.com