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1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)在該系統(tǒng)內(nèi)為各種不同的傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)上安裝溫度、濕度傳感器，主要用于土壤溫濕度數(shù)據(jù)的采集工作，隨后將數(shù)據(jù)發(fā)送至路由節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功能。實(shí)際中，可根據(jù)監(jiān)測(cè)土壤面積的大小來(lái)調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量;當(dāng)所需監(jiān)測(cè)的區(qū)域較大時(shí)，可增設(shè)多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)即傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)保證數(shù)據(jù)的完整性;而當(dāng)監(jiān)測(cè)區(qū)域較小時(shí)，可使用較少的節(jié)點(diǎn)以節(jié)省資源。所有的數(shù)據(jù)最后匯聚到上位機(jī)，上位機(jī)是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和管理中心。上位機(jī)管理平臺(tái)軟件采用LabVIEW2012編寫(xiě)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、顯示及報(bào)警功能。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1核心處理模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和通信功能。以TI公司的ZigBee片上射頻芯片CC2530F25為處理核心，芯片上集成了8051內(nèi)核、數(shù)模轉(zhuǎn)化及USART等，兼容ZigBee的協(xié)議棧。片上所有資源均可使用，節(jié)點(diǎn)上配有電池盒，具有很高的性價(jià)比，是一種高集成的解決方案。CC2530擁有龐大的快閃記憶體，多達(dá)256個(gè)字節(jié)，支持ZigBeePF4CE，是首個(gè)滿足兼容的協(xié)議棧;其更大的內(nèi)存將芯片無(wú)線下載變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，且支持系統(tǒng)編程。

2．2傳感器模塊

采用抗腐蝕的專業(yè)土壤濕度傳感器TDR采集土壤濕度信息。該傳感器采集到的土壤濕度信息十分精確。其抗腐蝕氧化、測(cè)量速度快且十分穩(wěn)定，誤差極小;應(yīng)用地域廣泛，經(jīng)久耐用;安裝、維護(hù)操作簡(jiǎn)便。土壤中所含水分對(duì)土壤介電常數(shù)的大小有很大影響。本傳感器可以測(cè)量出土壤的介電常數(shù)，然后得出土壤的濕值。其濕度量程為0～100%RH，測(cè)量精度為±2%RH，工作電壓為DC12V/24V，工作電流為30～50mA，輸出信號(hào)為0V～2．5V或4～20mA。土壤溫度傳感器采用ST10，它基于半導(dǎo)體PN結(jié)，測(cè)量量程為－20～50℃，測(cè)量精度為±0．5℃。

2．3硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。終端節(jié)點(diǎn)采集土壤溫濕度后，以多跳方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，最后由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給上位機(jī)。終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)相同，均由溫濕度傳感器模塊、核心處理模塊、按鍵及顯示模塊、射頻天線電路及電源電路組成。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)是建立在TI公司Z－Stcak的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，軟件開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境為IAREmbed-dedWorkbench。Z－Stack被安裝在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境的工程內(nèi)，IAR不僅可以編譯及下載程序，而且還能與編程器一起跟蹤調(diào)試或監(jiān)控寄存器。由IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)可把Z－Stack進(jìn)行分層。在協(xié)議棧內(nèi)，PHY層和MAC層處于最低層的位置，與硬件有著密切的聯(lián)系;NWK、APS、APL層位于PHY層和MAC層上方，且與硬件無(wú)任何聯(lián)系。此分層的結(jié)構(gòu)會(huì)使用戶立即了解整體結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的便利。

3．1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)上電后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可選擇一個(gè)信道，如協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的地址為0000，隨后建立一個(gè)符合各項(xiàng)參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器與各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)互相通信，并與上位機(jī)連接進(jìn)行通信。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立后，傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)綁定，此時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)便會(huì)得到各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的短地址，可通過(guò)調(diào)用地址來(lái)操作傳感器節(jié)點(diǎn)并將采集傳感器接收到的數(shù)據(jù)。在協(xié)調(diào)器收到信號(hào)時(shí)，可由數(shù)據(jù)的格式得知數(shù)據(jù)的類型，能夠了解是終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的請(qǐng)求或是傳感器模塊所采集的信息。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的是傳感器的數(shù)據(jù)時(shí)，可根據(jù)既定格式提取數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送至上位機(jī)監(jiān)控軟件;若是終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的請(qǐng)求，則將地址進(jìn)行比對(duì)用來(lái)存儲(chǔ)地址信息，將網(wǎng)絡(luò)地址傳送至上位機(jī)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件工作流程圖如圖4所示。

3．2傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要用來(lái)檢測(cè)固定范圍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并發(fā)送信號(hào)以處理數(shù)據(jù)和完成通信。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件方面包含采集數(shù)據(jù)程序和通信程序。節(jié)點(diǎn)程序中使用了喚醒機(jī)制，這使其使用壽命得到充分延長(zhǎng)。休眠的手段是為節(jié)省能耗經(jīng)常使用的辦法，終端節(jié)點(diǎn)大部分時(shí)間均處在休眠的狀態(tài)，按理論值來(lái)說(shuō)，此時(shí)的功耗會(huì)小于1uA。當(dāng)外部出現(xiàn)異常情況時(shí)，節(jié)點(diǎn)模塊會(huì)被喚醒并進(jìn)入正常工作狀態(tài);當(dāng)發(fā)送結(jié)束后，又會(huì)進(jìn)入休眠模式。本設(shè)計(jì)可讓傳感器節(jié)點(diǎn)可進(jìn)行周期性的工作及休眠，可設(shè)置每秒鐘喚醒1次。將采集到的數(shù)據(jù)與門(mén)限相比較，只有在采集數(shù)據(jù)超過(guò)閾值時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)才會(huì)開(kāi)始進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最大功耗部分為無(wú)線通信產(chǎn)生的功耗，采用合理的數(shù)據(jù)傳輸方式可降低整個(gè)節(jié)點(diǎn)的功耗。將傳感器安放到不同的位置使其變?yōu)槁酚晒?jié)點(diǎn)，可起到中繼和轉(zhuǎn)發(fā)的作用。

4上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4．1上位機(jī)數(shù)據(jù)處理

上位機(jī)數(shù)據(jù)處理及顯示界面采用NI公司的Lab-VIEW軟件開(kāi)發(fā)，監(jiān)測(cè)人員可以通過(guò)此界面平臺(tái)實(shí)現(xiàn)串口配置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)回讀、報(bào)警設(shè)置及實(shí)現(xiàn)4個(gè)功能。系統(tǒng)采用的是通過(guò)下位機(jī)用串口傳送過(guò)來(lái)的方式。由于下位機(jī)自動(dòng)采集溫濕度數(shù)據(jù)，所以本設(shè)計(jì)是直接從該采集程序開(kāi)發(fā)的。在這部分中，主要是上位機(jī)與下位機(jī)的串口通信通道的設(shè)計(jì)，包括串口COM端口的選擇、波特率設(shè)置，以及數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位設(shè)置，如圖6所示。數(shù)據(jù)保存是把采集來(lái)的數(shù)據(jù)保存到tdms文件里。文件中包括有兩個(gè)組名:一個(gè)是以時(shí)間命名的溫濕度數(shù)據(jù)，temp為溫度數(shù)據(jù)，hum為濕度數(shù)據(jù);還有一組是以Events命名的報(bào)警記錄。為了可以十分快捷地查到溫濕度歷史數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了歷史數(shù)據(jù)查詢模塊，如圖7所示。因?yàn)椴杉臄?shù)據(jù)保存在tdms文件中，所以歷史數(shù)據(jù)的查詢只需要檢索出來(lái)就可以。該程序能夠顯示歷史數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的波形圖，還具有tdms文件轉(zhuǎn)化成文本文件的功能。報(bào)警設(shè)置的程序是直接通過(guò)旋轉(zhuǎn)按鈕來(lái)控制實(shí)現(xiàn)的，如圖8所示。當(dāng)采樣值大于設(shè)置的數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)警，導(dǎo)致循環(huán)里的事件發(fā)生，然后記錄數(shù)據(jù)。這部分是實(shí)時(shí)記錄，能夠保存文本文件，系統(tǒng)每次重新啟動(dòng)時(shí)，都會(huì)自動(dòng)自動(dòng)刪除實(shí)時(shí)的記錄。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)顯示功能，也就是把下位機(jī)傳過(guò)來(lái)的信號(hào)通過(guò)示波器將其溫濕度的趨勢(shì)圖顯示出來(lái)，同時(shí)還有溫濕度報(bào)警功能。

4．2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，選取一個(gè)終端傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，每隔5min記錄采集到的溫濕度值，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。經(jīng)過(guò)觀察和分析，溫濕度變化曲線、誤差均在正常測(cè)量和控制誤差允許范圍內(nèi)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確采集被監(jiān)測(cè)區(qū)域土壤溫濕度數(shù)據(jù)，并能夠很好地利用Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，數(shù)據(jù)可靠準(zhǔn)確。

5結(jié)論

設(shè)計(jì)了以CC2530芯片為傳感器節(jié)點(diǎn)核心的土壤溫濕度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有功耗低、組網(wǎng)快、安裝方便的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，在上位機(jī)上采用基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)界面，系統(tǒng)性能更加完善，可以應(yīng)用于土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)，也可以用于其他溫濕度監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。

作者：王麗張華張景林劉文禮苗鳳娟陶佰睿單位：齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息中心計(jì)算中心