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

目前，隨著工業(yè)生產(chǎn)自動化程度不斷提升，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)測量設(shè)備功能單一，采用線纜連接各測量節(jié)點，測量系統(tǒng)架設(shè)復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理實時性不高。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)場測量系統(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)的溫濕度測量系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力強、測量精度高、現(xiàn)場架設(shè)便捷、系統(tǒng)智能化程度高的特點，適合工業(yè)現(xiàn)場大范圍溫濕度測量監(jiān)控應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

無線溫濕度測量系統(tǒng)將現(xiàn)場溫濕度驗證記錄與ZigBee網(wǎng)絡(luò)融為一體，具備數(shù)據(jù)采集、存儲和處理分析的功能，用戶可通過上位機軟件掌握現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由無線測量終端、無線基站和上位機構(gòu)成。使用LabWindows/CVI編程開發(fā)的上位機軟件，實現(xiàn)對無線基站和無線測量終端的管理、測量控制以及數(shù)據(jù)上傳處理。無線基站采用AT91SAM9263工業(yè)級微處理器，結(jié)合支持ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)芯片CC2530作為硬件平臺，建立和維護整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。無線測量終端以低功耗處理器MSP430F2618作為控制核心，負責傳感器數(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)場測量網(wǎng)絡(luò)并上傳測量數(shù)據(jù)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)路由自動建立和維護，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可通過多條路徑傳輸數(shù)據(jù)，即便某個節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)，與其關(guān)聯(lián)的節(jié)點自動尋找其他路徑重新加入網(wǎng)絡(luò)，實現(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，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

2.1 無線基站

無線基站是無線溫濕度測量系統(tǒng)中的關(guān)鍵節(jié)點，一方面負責與上位機通信，獲取工程配置信息，測量結(jié)束后將各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)上傳至PC;另一方面創(chuàng)建和維護ZigBee網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)無線測量終端的入網(wǎng)和管理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯集、存儲和轉(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，實現(xiàn)相應(yīng)功能。串口采用RS232電平與PC實現(xiàn)通信，LCD高彩色液晶顯示系統(tǒng)狀態(tài)及實時測量數(shù)據(jù)，SD卡保存所有節(jié)點歷史數(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標準ZStack-CC2530協(xié)議棧，作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)對無線測量終端的管理和數(shù)據(jù)傳輸。

無線基站框圖如圖2所示。

2.2 無線測量終端

無線測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，主要實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集、存儲和上傳，作為網(wǎng)絡(luò)路由器節(jié)點完成轉(zhuǎn)發(fā)通信和路由維護等功能。無線測量終端主要包括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(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。無線測量終端9路鉑電阻和3路濕度傳感器測量通道復(fù)用一個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量的通道進行采樣。

人機接口采用拓普微公司LM2068圖形點陣液晶顯示模塊，液晶與MSP430F2618采用并口連接方式。系統(tǒng)集成的4個按鍵的小鍵盤，可用于開/關(guān)機、啟動測量和顯示界面切換。無線測量終端使用SD卡保存每個測量通道的數(shù)據(jù)，MSP430F2618采用SPI接口實現(xiàn)SD卡接口通信。

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

無線測量終端框圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 Mesh網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計

Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由算法主要實現(xiàn)選擇快捷的路徑、節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源、減輕系統(tǒng)通信負荷、提高網(wǎng)絡(luò)通暢率。同時由于無線測量終端采用電池供電，在某個無線測量終端停電導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲結(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。Cluster-Tree算法中，不需要維護路由表，節(jié)點收到信息后立即傳輸給下一跳節(jié)點。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)點通信流量分配嚴重失衡。AODV算法是一種按需驅(qū)動路由協(xié)議，其路由過程分為路由發(fā)現(xiàn)和路由維護兩部分。當無線基站和無線測量終端之間需要通信時，源節(jié)點發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程，廣播一個路由請求，鄰居節(jié)點收到路由請求后，判斷自己是否為該次路由發(fā)現(xiàn)的目標節(jié)點，若是則回復(fù)路由應(yīng)答并在本路徑所有節(jié)點建立路由表，若不是則繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)路由請求直至到達目標節(jié)點。路由維護是通過周期性地組播HELLO報文來獲知鄰居節(jié)點通信狀態(tài)，以確認路由完整。若某個節(jié)點下一跳離開網(wǎng)絡(luò)，則向上游節(jié)點報告路由斷開信息，相關(guān)節(jié)點丟棄無效路由，源節(jié)點開始重新路由發(fā)現(xiàn)。該算法能夠快速準確地創(chuàng)建從源節(jié)點到目標節(jié)點的路由，而且路由節(jié)點不需要保存整個網(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，其相關(guān)節(jié)點能夠快速響應(yīng)，消除無效路由信息，實現(xiàn)路由表的自動修復(fù)。

無線溫濕度測量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信遵循以下過程：(1)終端維護獲取所有將要使用的終端MAC地址;(2)啟動無線基站，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)啟動各無線測量終端，其作為網(wǎng)絡(luò)路由器加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，同時上傳本終端信息;(4)無線基站收集所有在線測量終端信息，向上位機智能溫濕度測量管理系統(tǒng)軟件報告網(wǎng)絡(luò)狀態(tài);(5)上位機向無線基站發(fā)送工程配置信息，無線基站廣播配置信息，根據(jù)配置啟動相關(guān)傳感器通道測量;(6)無線測量終端將測量數(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、存儲并上傳給上位機智能溫濕度測量管理系統(tǒng)軟件分析處理;(7)網(wǎng)絡(luò)以固定時間間隔120 s進行路由信息維護，若某個無線測量終端離開網(wǎng)路，則向無線基站報告終端離開，并重新開始相關(guān)節(jié)點的路由發(fā)現(xiàn)，進行路由修復(fù)。

3.2 上位機軟件設(shè)計

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

3.3 無線基站軟件和無線測量終端軟件設(shè)計

無線基站軟件實現(xiàn)下載測量工程文件、無線測量終端控制、測量數(shù)據(jù)匯集、存儲和上傳。軟件編程采用操作系統(tǒng)抽象層(OSAL)多任務(wù)資源分配機制，根據(jù)系統(tǒng)功能內(nèi)聚性及時間緊迫程度按優(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(tǒng)處于空閑狀態(tài)，采用事件輪詢方式，當事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)進行相應(yīng)任務(wù)處理，處理完回到空閑狀態(tài)。若幾個事件同時發(fā)生，按優(yōu)先級依次處理。

無線測量終端軟件實現(xiàn)系統(tǒng)所有測量功能，主要包括網(wǎng)絡(luò)通信、傳感器通道測量、數(shù)據(jù)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(tǒng)空閑狀態(tài)進入睡眠狀態(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)測試

在PC上安裝上位機智能溫濕度測量管理系統(tǒng)軟件，使用串口連接電腦與無線基站，將10個無線測量終端分別布置在室外及室內(nèi)，連續(xù)測量48小時室內(nèi)外溫濕度變化情況。使用上位機智能溫濕度測量管理系統(tǒng)軟件讀取采樣數(shù)據(jù)并繪制數(shù)據(jù)變化曲線，部分數(shù)據(jù)顯示如圖5所示。圖中顯示了傳感器通道編號及其對應(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小時內(nèi)溫濕度變化情況。

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

本文設(shè)計了一種基于ZigBee無線Mesh網(wǎng)絡(luò)的溫濕度測量系統(tǒng)。該設(shè)計融合了嵌入式技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過組建無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)，無線測量終端作為路由器節(jié)點采用多跳傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳送到無線基站，上位機軟件與無線基站通信，達到工業(yè)現(xiàn)場大范圍多點溫濕度測量的目的。無線網(wǎng)絡(luò)采用Mesh網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(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。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于實驗室溫濕度標定和校準，也可搭載其他傳感器應(yīng)用于相關(guān)物理量測量領(lǐng)域。