基于ZigBee和Android的環(huán)境監(jiān)控APP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭青　薛亮

摘 要：文章設(shè)計(jì)了一種以CC2530為核心控制芯片的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端傳感器節(jié)點(diǎn)三部分構(gòu)成。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立并維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，無線終端傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)經(jīng)路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳到智能手機(jī)監(jiān)控客戶端達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果。文章詳細(xì)闡述了節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方法和軟件流程。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、擴(kuò)展性好、功耗低，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚等環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：CC2530安卓；ZigBee技術(shù)；手持設(shè)備；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

引言

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)規(guī)?；陌l(fā)展，環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)被廣泛地應(yīng)用于大棚種植、糧食儲(chǔ)藏、生物化學(xué)制藥、畜牧養(yǎng)殖等領(lǐng)域中，建立有效的環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)[1]?，F(xiàn)有傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用有線監(jiān)測(cè)設(shè)備，布線復(fù)雜，維護(hù)困難，靈活性差。將傳感器與無線通信技術(shù)相結(jié)合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無需布設(shè)線路，不受環(huán)境制約，容易擴(kuò)展，維護(hù)方便。

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，wireless sensor networks）[2]得到廣泛應(yīng)用，在WSN中通過在觀測(cè)區(qū)域內(nèi)部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息，以自組多跳的無線通信方式，將收集、處理后的信息提供給觀察者。在實(shí)際的WSN應(yīng)用領(lǐng)域中，ZigBee是一種新興的短距離、低速率、高效率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3]，是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)，關(guān)于組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其突出優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單、工作頻段靈活、低功耗、低成本、高可靠性，具有自組網(wǎng)和自恢復(fù)能力，非常適合用于無線溫濕度、氣體等環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]。APP是智能手機(jī)的第三方應(yīng)用程序。文章基于ZigBee無線技術(shù)，以射頻收發(fā)器CC2530芯片為核心，在TI公司的免費(fèi)協(xié)議棧Z-Stack基礎(chǔ)上，構(gòu)建了應(yīng)用于無線環(huán)境監(jiān)測(cè)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用Eclipse4.4安卓開發(fā)平臺(tái)使用java語(yǔ)言開發(fā)了環(huán)境監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)APP，實(shí)現(xiàn)了安卓手機(jī)客戶端及其他智能手持設(shè)備可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境的變化情況。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

無線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和智能手持設(shè)備APP兩部分組成，如圖1所示。下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和傳感器終端節(jié)點(diǎn)組成樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送和接收指令；傳感器終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)感知周圍環(huán)境信息，處理收集到的數(shù)據(jù)，然后通過無線射頻發(fā)送給最近的路由器節(jié)點(diǎn)；路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器，克服了遠(yuǎn)距離的終端節(jié)點(diǎn)的信號(hào)衰減的問題。上位機(jī)通過串口方式與協(xié)調(diào)器連接負(fù)責(zé)把下位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送來的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用串口調(diào)試助手顯示出來，便于管理人員對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，智能手持設(shè)備通過自帶Wi-Fi功能，可以將下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)同時(shí)顯示在手持設(shè)備的APP上。此外，在本設(shè)計(jì)中加入了對(duì)環(huán)境燈光的遠(yuǎn)程控制功能，手持設(shè)備可以通過點(diǎn)擊APP中的圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制燈光的開關(guān)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用TI公司的CC2530F256片上系統(tǒng)芯片作為協(xié)調(diào)器、路由器和終端傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件核心。CC2530設(shè)有強(qiáng)大的無線前端，集成IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz頻段的RF無線電收發(fā)機(jī)，射頻調(diào)制模式為DSSS，具有較高的無線接收靈敏度和抗干擾性，傳輸距離大于75m，最高傳輸速率250kbps[4]。CC2530集成了1個(gè)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核，保證低功耗和相對(duì)高性能，本設(shè)計(jì)選取的系統(tǒng)可編程內(nèi)存為256KB，以及8KB的RAM。CC2530提供了8通道12位A/D轉(zhuǎn)換器和21個(gè)通用GPIO、2個(gè)UART接口、AES-128安全加密功能、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器，使得CC2530只需很少的外圍電路即可構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的ZigBee節(jié)點(diǎn)[5]。CC2530支持2.0～3.6V供電電壓，具有三種電源管理模式：?jiǎn)拘涯Ｊ?.2mA、睡眠模式1uA和中斷模式0.4uA，當(dāng)CC2530處于空閑模式時(shí)，任何中斷可以把CC2530恢復(fù)到主動(dòng)模式，有些中斷還可以將CC2530從睡眠模式喚醒，滿足超短時(shí)間快速轉(zhuǎn)換，確保了低能源消耗，工作溫度范圍為-40°C～125°C，特別適合要求電池壽命長(zhǎng)且環(huán)境變化大的室外工作環(huán)境[5]。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)布監(jiān)測(cè)指令并收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)然后通過串口上傳到上位機(jī)顯示，因此，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)由CC2530芯片、串口模塊、電源模塊、射頻天線（RF）模塊及晶振電路等模塊組成。RF ZigBee射頻天線模塊主要用于數(shù)據(jù)的無線收發(fā)和傳送。串口模塊選用PL-2303HX芯片來完成RS232-USB接口轉(zhuǎn)換[6]。電源模塊用于為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)功能模塊供電，保證節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行，供電電壓為2.0～3.6V。晶振電路模塊是兩個(gè)不同頻率的晶振，分別用于無線數(shù)據(jù)收發(fā)和休眠狀態(tài)。路由器節(jié)點(diǎn)相比協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)只是沒有串口模塊。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主要包括：用于采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)的傳感器DHT11、監(jiān)測(cè)煙霧及可燃?xì)怏w的MQ-2傳感器；處理和傳輸數(shù)據(jù)的核心芯片CC2530及無線通信模塊；低功耗的Flash存儲(chǔ)芯片；電源模塊采用外接鋰電池盒供電。當(dāng)各傳感器檢測(cè)到環(huán)境信息時(shí)，首先由CC2530對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過天線發(fā)送給ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器節(jié)點(diǎn)，間接與協(xié)調(diào)器進(jìn)行無線通信。當(dāng)傳輸完畢后，芯片進(jìn)入低功率的睡眠模式來延長(zhǎng)電池壽命。終端傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本設(shè)計(jì)的溫濕度傳感器采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，如圖4（a），這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。單線制串行接口，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上。溫度測(cè)量范圍是0°C～+50°C，精度±2°C，濕度測(cè)量范圍20～90%RH，精度±5.0%RH[7]。DHT11與CC2530之間通過串行總線I2C進(jìn)行通信，DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DHT11上電后，經(jīng)過11s時(shí)間進(jìn)入休眠狀態(tài)，只有當(dāng)CC2530微處理器發(fā)出測(cè)試命令后，DHT11才被喚醒進(jìn)行工作[7]。

本設(shè)計(jì)的氣體傳感器采用MQ-2傳感器。該傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大[8]。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其他可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)基于TI公司的Z-Stack-CC2530-2.3.0-1.4.0協(xié)議棧，利用IAR Embedded Workbench V7.60 for 8051集成開發(fā)平臺(tái)開發(fā)。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，由上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)置串口號(hào)、波特率、校驗(yàn)位等參數(shù)，開啟串口連接，下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器上電之后將根據(jù)預(yù)先定義好的網(wǎng)絡(luò)編號(hào)PANID，啟動(dòng)并組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，組網(wǎng)后分布在各個(gè)地點(diǎn)的傳感器節(jié)點(diǎn)開始獨(dú)立采集環(huán)境信息，采集到的數(shù)據(jù)將直接或者經(jīng)路由器節(jié)點(diǎn)間接發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，最終通過 RS232-USB轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)送入監(jiān)控主機(jī)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，路由器節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于不能組建網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其功能模塊如處理節(jié)點(diǎn)綁定請(qǐng)求、發(fā)送綁定處理消息等功能實(shí)現(xiàn)和協(xié)調(diào)器類似。

安卓手機(jī)客戶端APP利用Eclipse4.4開發(fā)。各種裝有Android系統(tǒng)的手持設(shè)備如智能手機(jī)或PAD，在安裝本設(shè)計(jì)的安裝包后，查詢上位機(jī)所在電腦的IP地址，打開手持設(shè)備的Wi-Fi功能并連接好后，點(diǎn)擊網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，輸入電腦IP地址后點(diǎn)連接，此時(shí)與協(xié)調(diào)器所連的上位機(jī)虛擬為一臺(tái)收發(fā)與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的服務(wù)器，位于同一局域網(wǎng)的其他智能手持設(shè)備可訪問這個(gè)服務(wù)器進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的查詢?？蛻舳孙@示連接成功后，自動(dòng)刷新數(shù)據(jù)。點(diǎn)擊右側(cè)小燈泡圖標(biāo)，可以控制終端節(jié)點(diǎn)上LED燈的開關(guān)。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5。

4 測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)在河北工程大學(xué)第三教學(xué)樓一樓服務(wù)器機(jī)房模擬環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)采用四個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。將四個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分別放置于服務(wù)器機(jī)房不同位置：機(jī)房入口、窗口、交換機(jī)底部和頂部。終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)采用電池盒供電，內(nèi)部包括2節(jié)7號(hào)鋰電池，協(xié)調(diào)器采用RS232-USB串口線與電腦上位機(jī)相連，電腦采用Acer宏 筆記本電腦，智能手持設(shè)備為MI3手機(jī)。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖6。

打開手機(jī)WI-FI功能，將APP的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為協(xié)調(diào)器所連接電腦的IP地址，按下協(xié)調(diào)器的S1按鍵，即啟動(dòng)協(xié)調(diào)器的組網(wǎng)功能，然后觀察手機(jī)客戶端APP測(cè)試界面如圖7，左側(cè)為溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，中間綠色圖標(biāo)為氣體正常顯示，右側(cè)四個(gè)小燈泡圖標(biāo)表示目前四個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的LED顯示燈正處于打開狀態(tài)，點(diǎn)擊各個(gè)小燈圖標(biāo)即可使終端節(jié)點(diǎn)上LED燈熄滅。

兩次測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)實(shí)驗(yàn)者在機(jī)房所在樓道（距離50米內(nèi)）時(shí)打開該監(jiān)控APP即可查看監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。機(jī)房?jī)?nèi)部交換機(jī)頂部和底部節(jié)點(diǎn)的溫濕度測(cè)量值略高于機(jī)房窗口，這是由于交換機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量。多次測(cè)量結(jié)果符合實(shí)際情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章在TI公司的Z-Stack2007協(xié)議棧和IAR開發(fā)環(huán)境下，以CC2530芯片為硬件核心構(gòu)建了一個(gè)ZigBee無線環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，采用Eclipse4.4開發(fā)了手持設(shè)備安卓客戶端。闡述了組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所需的終端傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方法及軟件流程。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性高、功耗低，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的誤差要求并能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，具有較高的實(shí)用推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：郭青（1988-），女，滿族，河北省秦皇島市，在讀碩士，研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

薛亮（1982-），男，河北省邯鄲市，副教授，博士，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)理論與關(guān)鍵性技術(shù)和無線認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的研究。