基于ZigBee無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 目前，隨著工業(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(jiān)控智能化程度也在不斷發(fā)展。傳統(tǒng)測(cè)量設(shè)備功能單一，采用線纜連接各測(cè)量節(jié)點(diǎn)，測(cè)量系統(tǒng)架設(shè)復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性不高。隨著短距離無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化得到快速提升。本文開發(fā)了基于ZigBee無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力強(qiáng)、測(cè)量精度高、現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)便捷、系統(tǒng)智能化程度高的特點(diǎn)，適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大范圍溫濕度測(cè)量監(jiān)控應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

無線溫濕度測(cè)量系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)溫濕度驗(yàn)證記錄與ZigBee網(wǎng)絡(luò)融為一體，具備數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理分析的功能，用戶可通過上位機(jī)軟件掌握現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由無線測(cè)量終端、無線基站和上位機(jī)構(gòu)成。使用LabWindows/CVI編程開發(fā)的上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線基站和無線測(cè)量終端的管理、測(cè)量控制以及數(shù)據(jù)上傳處理。無線基站采用AT91SAM9263工業(yè)級(jí)微處理器，結(jié)合支持ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)芯片CC2530作為硬件平臺(tái)，建立和維護(hù)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。無線測(cè)量終端以低功耗處理器MSP430F2618作為控制核心，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集和處理，通過搭載的CC2530無線網(wǎng)絡(luò)模塊加入現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)并上傳測(cè)量數(shù)據(jù)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)路由自動(dòng)建立和維護(hù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可通過多條路徑傳輸數(shù)據(jù)，即便某個(gè)節(jié)點(diǎn)離開網(wǎng)絡(luò)，與其關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)自動(dòng)尋找其他路徑重新加入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)路由修復(fù)，提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中無線基站和無線測(cè)量終端分別作為協(xié)調(diào)器和路由器構(gòu)成Mesh網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力強(qiáng)，系統(tǒng)架設(shè)靈活。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線基站

無線基站是無線溫濕度測(cè)量系統(tǒng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，一方面負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，獲取工程配置信息，測(cè)量結(jié)束后將各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳至PC;另一方面創(chuàng)建和維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)無線測(cè)量終端的入網(wǎng)和管理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯集、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。無線基站采用AT91SAM9263作為控制核心，其內(nèi)部嵌入了高達(dá)220MIPS(每秒百萬條指令)的處理器內(nèi)核，96 KB內(nèi)部SRAM，支持外部總線以及豐富的外設(shè)資源。在AT92SAM9263、外部DDRAM和NorFlash組成最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊、串口通信、液晶顯示、SD卡存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。串口采用RS232電平與PC實(shí)現(xiàn)通信，LCD高彩色液晶顯示系統(tǒng)狀態(tài)及實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，SD卡保存所有節(jié)點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊采用CC2530高度集成片上系統(tǒng)芯片，結(jié)合外圍硬件電路及外置全向天線，配備TI標(biāo)準(zhǔn)ZStack-CC2530協(xié)議棧，作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)無線測(cè)量終端的管理和數(shù)據(jù)傳輸。

無線基站框圖如圖2所示。

2.2 無線測(cè)量終端

無線測(cè)量終端以低功耗處理器MSP430F2618為核心，采用與無線基站同樣的CC2530片上系統(tǒng)芯片，主要實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和上傳，作為網(wǎng)絡(luò)路由器節(jié)點(diǎn)完成轉(zhuǎn)發(fā)通信和路由維護(hù)等功能。無線測(cè)量終端主要包括MSP430F2618微處理器子系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換控制、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、人機(jī)接口、SD卡存儲(chǔ)、電源管理等單元模塊。

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

人機(jī)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(tǒng)集成的4個(gè)按鍵的小鍵盤，可用于開/關(guān)機(jī)、啟動(dòng)測(cè)量和顯示界面切換。無線測(cè)量終端使用SD卡保存每個(gè)測(cè)量通道的數(shù)據(jù)，MSP430F2618采用SPI接口實(shí)現(xiàn)SD卡接口通信。

BQ27501芯片與微處理器之間通過I2C總線互連，實(shí)現(xiàn)鋰電池電量監(jiān)測(cè)和管理。

無線測(cè)量終端框圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 Mesh網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)

Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由算法主要實(shí)現(xiàn)選擇快捷的路徑、節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源、減輕系統(tǒng)通信負(fù)荷、提高網(wǎng)絡(luò)通暢率。同時(shí)由于無線測(cè)量終端采用電池供電，在某個(gè)無線測(cè)量終端停電導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化的情況下，必須保證數(shù)據(jù)傳輸鏈路快速恢復(fù)。

Mesh網(wǎng)絡(luò)采用AODV算法與Cluster-Tree算法相結(jié)合的路由設(shè)計(jì)。Cluster-Tree算法中，不需要維護(hù)路由表，節(jié)點(diǎn)收到信息后立即傳輸給下一跳節(jié)點(diǎn)。該算法能夠減少路由協(xié)議的控制開銷，但無法保證建立的路徑為最優(yōu)路徑，造成網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)通信流量分配嚴(yán)重失衡。AODV算法是一種按需驅(qū)動(dòng)路由協(xié)議，其路由過程分為路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)兩部分。當(dāng)無線基站和無線測(cè)量終端之間需要通信時(shí)，源節(jié)點(diǎn)發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，廣播一個(gè)路由請(qǐng)求，鄰居節(jié)點(diǎn)收到路由請(qǐng)求后，判斷自己是否為該次路由發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，若是則回復(fù)路由應(yīng)答并在本路徑所有節(jié)點(diǎn)建立路由表，若不是則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)路由請(qǐng)求直至到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。路由維護(hù)是通過周期性地組播HELLO報(bào)文來獲知鄰居節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)，以確認(rèn)路由完整。若某個(gè)節(jié)點(diǎn)下一跳離開網(wǎng)絡(luò)，則向上游節(jié)點(diǎn)報(bào)告路由斷開信息，相關(guān)節(jié)點(diǎn)丟棄無效路由，源節(jié)點(diǎn)開始重新路由發(fā)現(xiàn)。該算法能夠快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，而且路由節(jié)點(diǎn)不需要保存整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有路由信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中路由狀況發(fā)生變化時(shí)，其相關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠快速響應(yīng)，消除無效路由信息，實(shí)現(xiàn)路由表的自動(dòng)修復(fù)。

無線溫濕度測(cè)量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信遵循以下過程：(1)終端維護(hù)獲取所有將要使用的終端MAC地址;(2)啟動(dòng)無線基站，其作為唯一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立和初始化ZigBee網(wǎng)絡(luò);(3)啟動(dòng)各無線測(cè)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)無線基站收集所有在線測(cè)量終端信息，向上位機(jī)智能溫濕度測(cè)量管理系統(tǒng)軟件報(bào)告網(wǎng)絡(luò)狀態(tài);(5)上位機(jī)向無線基站發(fā)送工程配置信息，無線基站廣播配置信息，根據(jù)配置啟動(dòng)相關(guān)傳感器通道測(cè)量;(6)無線測(cè)量終端將測(cè)量數(shù)據(jù)通過路由傳送至無線基站，無線基站將數(shù)據(jù)匯集、處理、存儲(chǔ)并上傳給上位機(jī)智能溫濕度測(cè)量管理系統(tǒng)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(hù)，若某個(gè)無線測(cè)量終端離開網(wǎng)路，則向無線基站報(bào)告終端離開，并重新開始相關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行路由修復(fù)。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件使用LabWindows/CVI軟件編程，實(shí)現(xiàn)工程配置、傳感器校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)分析三大功能。工程配置實(shí)現(xiàn)的功能有：(1)傳感器分組設(shè)置;(2)按鍵/越限/周期/定時(shí)啟動(dòng)模式設(shè)置;(3)按鍵/越限/超時(shí)停止測(cè)量設(shè)置;(4)采樣間隔設(shè)置;(5)報(bào)警參數(shù)設(shè)置。傳感器校準(zhǔn)分為鉑電阻校準(zhǔn)和濕度傳感器校準(zhǔn)兩部分。鉑電阻校準(zhǔn)通過在各溫度節(jié)點(diǎn)采集校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，利用PC強(qiáng)大的計(jì)算能力進(jìn)行鉑電阻非線性擬合，生成校準(zhǔn)參數(shù)并分析校準(zhǔn)精度。濕度傳感器為線性輸出，只需線性校準(zhǔn)即可。校準(zhǔn)系數(shù)通過串口下載到測(cè)量終端。測(cè)量結(jié)束后，上位機(jī)導(dǎo)入SD卡中數(shù)據(jù)，產(chǎn)生報(bào)警信息并生成數(shù)據(jù)報(bào)表。上位機(jī)程序流程圖如圖4所示。

3.3 無線基站軟件和無線測(cè)量終端軟件設(shè)計(jì)

無線基站軟件實(shí)現(xiàn)下載測(cè)量工程文件、無線測(cè)量終端控制、測(cè)量數(shù)據(jù)匯集、存儲(chǔ)和上傳。軟件編程采用操作系統(tǒng)抽象層(OSAL)多任務(wù)資源分配機(jī)制，根據(jù)系統(tǒng)功能內(nèi)聚性及時(shí)間緊迫程度按優(yōu)先級(jí)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(chǔ)任務(wù)和顯示任務(wù)。各任務(wù)初始化以后，系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，采用事件輪詢方式，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)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(jí)依次處理。

無線測(cè)量終端軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有測(cè)量功能，主要包括網(wǎng)絡(luò)通信、傳感器通道測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(jī)制，在系統(tǒng)空閑狀態(tài)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，系統(tǒng)外設(shè)全部關(guān)閉，極大地降低系統(tǒng)功耗。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在PC上安裝上位機(jī)智能溫濕度測(cè)量管理系統(tǒng)軟件，使用串口連接電腦與無線基站，將10個(gè)無線測(cè)量終端分別布置在室外及室內(nèi)，連續(xù)測(cè)量48小時(shí)室內(nèi)外溫濕度變化情況。使用上位機(jī)智能溫濕度測(cè)量管理系統(tǒng)軟件讀取采樣數(shù)據(jù)并繪制數(shù)據(jù)變化曲線，部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示如圖5所示。圖中顯示了傳感器通道編號(hào)及其對(duì)應(yīng)曲線顏色，表格左邊刻度為溫度，右邊刻度為濕度，曲線顯示了48小時(shí)內(nèi)溫濕度變化情況。

系統(tǒng)測(cè)試顯示，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)可靠，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確完整，系統(tǒng)具有良好的操作性。

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)融合了嵌入式技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過組建無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)，無線測(cè)量終端作為路由器節(jié)點(diǎn)采用多跳傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳送到無線基站，上位機(jī)軟件與無線基站通信，達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大范圍多點(diǎn)溫濕度測(cè)量的目的。無線網(wǎng)絡(luò)采用Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用AODV與Cluster-Tree相結(jié)合的路由算法，能夠?qū)崿F(xiàn)快速路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室溫濕度標(biāo)定和校準(zhǔn)，也可搭載其他傳感器應(yīng)用于相關(guān)物理量測(cè)量領(lǐng)域。