基于无线传感网络的环境监测系统

孙长伟，王艳春，黄迎辉，刘 娜

（蚌埠学院，安徽 蚌埠 233030）

基于无线传感网络的环境监测系统

孙长伟，王艳春，黄迎辉，刘 娜

（蚌埠学院，安徽 蚌埠 233030）

本文设计了一套基于ZigBee无线传感网络技术家居监测系统，该系统选用CC2530芯片自组网络，实现数据的接收和发送，并将接收到的数据通过协调器上传到监控中心进行分析，并做出反馈，以此实现对家居环境的实时监测。

ZigBee；无线通信；传感器

近年来，随着人们家居装修要求的提高，工业板材及甲醛含量较高的装修材料使室内环境不容乐观，对家居环境的监测成为了必要。通信技术，计算机网络技术，传感器技术和互联网技术的不断的发展，经济的快速发展为我们拥有一个舒适的家居环境提供了条件，家居环境监测为健康家居环境的建立提供保障［1］。本文设计的基于无线传感网络技术的家居环境监控系统，可以准确实时地监控家居环境参数，确保人们生活环境健康，减少人们长时间生活在受污染严重的环境中。

1 系统设计

基于ZigBee的无线网络技术是一种低成本、低功耗、可自组网的通信技术，既作为子系统嵌入在网络设备中，也在低功耗的通信领域进行应用［2］。ZigBee由终端节点、ZigBee路由器、ZigBee协调器三部分构成。

1.1 系统结构

系统总体由嵌入ZigBee模块的传感器节点、协调器节点、路由器节点和PC组成。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

由图可知，家居环境中的信息通过传感器节点完成采集与发送，通过路由器将采集到的数据实时发送到协调器。路由器节点完成数据的转发，协调器节点初始化并完成网络的组建、终端节点的管理及与PC机的数据通信。监测区域较大时刻可以减少传感器节点的数量来减少成本，节省资源。当监测区域变大时，可以增加节点个数，增加监测范围。PC机实时显示家居环境中的监测数据，并且可以通过上位机界面来实现节点的管理和配置。

2 协调器节点设计

协调器模块由电源模块，时钟模块，天线等组成，在系统中ZigBee协调器节点完成网络初始化及网络组建功能。并且对接收到的数据进行处理，通过串口完成与上位机的通信。该节点的硬件结构设计如图2所示。

图2 协调器结构图

节点模块功耗低，本系统中采用3V的干电池供电，系统所需为2.0V～3.3V供电电压，本部分的设计采用外部两节干电池对系统进行供电可以满足要求。一部分电路需要1.8V电压，因此通过电压转换电路可以实现1.8V电压供电。根据CC2530对电压的要求，采用REG1117-1.8以实现1.8V电压的输出，其最大输出电流可达1A。

CC2530芯片的时钟部分则由两个不同频率部分组成，分别为：32MHz的频率提供给系统进行正常的工作的时钟频率，而32.768KHZ则提供了系统在低功耗的模式下的工作频率，以节省能耗。射频天线单元由阻抗匹配电路和天线馈线电路组成。本系统中采用Whip天线，具有高可靠性的全向天线。

3 传感器节点设计

传感器节点负责采集家居环境中的物理信息，并经路由器节点转发到协调器节点。该节点由传感器模块和信号调理模块构成。

终端节点负责温湿度，光照度及气体等物理信息的采集。信号调理电路设计如图3所示。

图3中为了避免一级放大造成的噪声加大，信号失真，采用两级放大。直流分量通过C1滤出，其数值几μF。第一级放大电路由第一个LM324 和R1，R3组成，其放大倍数为

第二级放大电路由第三个LM324，R8，R10组成，放大到可以完成A/D转换的数量级。。

图3 信号调理电路设计

4 软件设计

网络协调器负责建立无线网络，接收终端节点的状态信息并报警或显示，发送命令控制节点的状态。系统应用层的程序主要包括家电控制，传感，无线数据传输和人机交互模块，终端节点负责数据采集，报警或显示，发送信息给协调器。

系统设计具有低功耗的特性，只有收到控制命令时转入工作状态，完成数据的收发。通过Z-Stack协议栈是基于轮转查询式操作系统的，并提供了完整的路由协议，本系统的主要任务是在Z-Stack协议栈的基础上完成对传感器节点及通信协议的软件设计。

嵌入ZigBee的终端节点完成温湿度、甲醛浓度及光照度等家居环境中空气参数的采集和收发。传感器节点处于低功耗模式下，当传感器节点被唤醒且收到协调器发送的命令模式，开始进项网络初始化，开始采集数据，让后将数据发送给协调器，加入网络。

协调器节点完成ZigBee网络的组建，指令发送和数据的收发，与上位机通信。ZigBee数据收发模块采用Z-Stack协议栈，符合802.15.4协议.

5 小结

本设计的基于ZigBee无线传感网络技术家居监测系统，能够完成家居环境中温湿度、甲醛浓度、光照度等的物理信息采集。该系统功耗低，实时性强、可自组网，借助这些优点，该系统可以准确实时地监控家居环境，确保人们生活环境的健康，减少人们长时间生活在受污染严重的环境中。

［1］易强，基于3G和ZigBee的智能家居无线传感网络系统设计与实现［D］.广州：广东工业大学：2012.

［2］徐振阳，窦文华.无线传感反应网络综述［J］.计算机科学2005（9）：26-30.

Environmental Monitoring System based on Wireless Sensor Network

SUN Chang-wei，WANG Yan-chun，HUANG Ying-hui，LIU Na
（Department of Mechanical and Electronic Engineering，Bengbu University，Bengbu 233030，P.R.C.）

In this paper，a ZigBee based wireless sensor network is designed.The system based on CC2530 chip，is used to receive and transmit data.The received data is uploaded to the monitoring center to analyze the data.

ZigBee；wireless communication；sensor

TN915.08

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2015.04.031

1672-7304（2015）04-0064-02

安徽高等学校省级自然科学研究项目（KJ2013Z201）；地方高校国家级大学生创新创业训练计划（201311305011）。

（责任编辑：吴湘银）

孙长伟（1982-），女，山东潍坊人，讲师，研究方向：信号处理，嵌入式系统技术。