基于CC2530的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì).docVIP

基于CC2530的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)朱 娟(湖北文理學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053)摘要：為了解決有線水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)布線難、成本高、監(jiān)測范圍受限等問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)水環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)以Zigbee CC2530芯片和CDMA模塊為核心，利用分布在監(jiān)測水域的各傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳至中心節(jié)點(diǎn)，再通過CDMA模塊傳給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理中心。該系統(tǒng)具有成本低、可靠性好，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，有很好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：zigbee；CC2530；水環(huán)境監(jiān)測；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)The Design of Water Environment Monitoring System Based on CC2530Zhu Juan(Institute of physics and electronic information engineering, Hubei University of Arts and Science,xiangyang 441053)Abstract: To solve the problem of difficult to set up the network，high cost and restricted scope in existing cable water environment monitoring system, this paper designs a wireless sensor network system based on CC2530 for real-time monitoring of water environment. The system is constructed on Zigbee CC2530 chips and CDMA module,collecting data using of sensor nodes which distribute in the monitoring water.the data is transmited to center node by zigbee wireless network,then to the remote data management center through CDMA module. The system have many advantages,such as low cost, good reliability, easy maintenance, etc, and also has a good application foreground.Key words:zigbee;CC2530; water environment monitoring ; wireless sensor network 1 引言水乃生命之源，因此對(duì)水環(huán)境的監(jiān)測顯得尤為重要。高效、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握我們周圍水環(huán)境的信息，不僅能及時(shí)處理工農(nóng)業(yè)帶來的水污染，更是給我們的生活帶來了強(qiáng)有力的保障?，F(xiàn)有的水環(huán)境監(jiān)測方法主要有兩種：（1）采用便攜式水質(zhì)監(jiān)測儀人工采樣、實(shí)驗(yàn)室分析的方式；（2）采用由遠(yuǎn)程監(jiān)測中心和若干個(gè)監(jiān)測子站組成的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。前者無法對(duì)水環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測，勞動(dòng)強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)采集慢，無法反映水環(huán)境動(dòng)態(tài)變化。后者雖能反映動(dòng)態(tài)變化，但一般都采用有線監(jiān)測，系統(tǒng)成本高，監(jiān)測范圍小。而時(shí)下新興的zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)恰能解決以上兩種問題，它具有低功耗、高質(zhì)量、低成本的雙向傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，在水環(huán)境監(jiān)測中顯現(xiàn)出特有的優(yōu)勢(shì)，可以方便的實(shí)現(xiàn)大范圍水域的實(shí)時(shí)監(jiān)測。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)基于zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)、CDMA模塊和監(jiān)控中心組成。傳感器節(jié)點(diǎn)任意分布在某一監(jiān)測區(qū)域，多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成zigbee通信子網(wǎng)，中心節(jié)點(diǎn)通過zigbee協(xié)議與各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，獲取各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，再通過CDMA無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。作者簡介：朱娟（1984），女，湖北襄陽人，碩士，研究方向：嵌入式技術(shù)及其應(yīng)用（E-mail:）圖1 系統(tǒng)總體框圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)由zigbee射頻收發(fā)模塊和傳感器組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。zigbee射頻收發(fā)模塊主芯片采用TI公司的CC2530，它是TI最新推出的符合IEEE 802.15.4的2.4G射頻收發(fā)器，該芯片工作的頻率范圍是24002483.6MHZ，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸高達(dá)250Kb/s,CC2530集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)注的8051MCU，可編程Flash存儲(chǔ)器、8KB RAM和許多其它強(qiáng)大功能。CC2530有4 種不同的Flash 版本: CC2530F32 /64 /128 /256，分別具有32 /64 /128 /256 KB Flash 存儲(chǔ)器 CC2530 比較適合需要超低功耗的系統(tǒng)，它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，是一個(gè)真正的用于IEEE 802. 15. 4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的片上系統(tǒng) ( SOC) 解決方案2。圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖傳感器選擇M45453 多參數(shù)水質(zhì)檢測傳感器，可同時(shí)測量多達(dá)17 項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)，包括pH 值、溫度、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度、氨氮濃度和氯化物濃度等參數(shù)1，這些參數(shù)的物理量和化學(xué)量將被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后進(jìn)行調(diào)理打包。傳感器節(jié)點(diǎn)使用鋰電池供電，因而低功耗設(shè)計(jì)成為主要考慮的問題，在不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，其進(jìn)入休眠模式。電源電路采用片內(nèi)1.8V穩(wěn)壓器為所需電路提供1.8V電源，配一個(gè)1F去耦電容，以提高電源工作的穩(wěn)定性，在管腳22、23和32、33上分別用32MHz、32.768KHz的石英諧振器構(gòu)成兩個(gè)晶振電路；天線是射頻收發(fā)模塊的重要器件，它直接影響系統(tǒng)的整體性能，系統(tǒng)中使用巴倫匹配電路來進(jìn)行射頻收發(fā)信號(hào)的匹配，天線采用效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、饋電方便的印制彎折倒F型天線，具有尺寸小、剖面低、成本低等特點(diǎn)2。3.2 中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 中心節(jié)點(diǎn)由主控制器、zigbee射頻收發(fā)模塊、CDMA通信模塊組成，zigbee射頻收發(fā)模塊與微處理器之間采用串口中斷通信，當(dāng)中心節(jié)點(diǎn)zigbee模塊收到傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)后，會(huì)通過中斷觸發(fā)主控制器完成接收數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等任務(wù)，并觸發(fā)CDMA模塊向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。主控制器采用Samsung公司的S3C2410處理器，它是一款低價(jià)、低功耗、高性能的16/32位系統(tǒng)微處理器，具有豐富的接口資源、足夠的內(nèi)存空間，能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。CDMA模塊由無線數(shù)據(jù)傳輸終端Saro6550EP CDMA DTU來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)共享。該終端采用模塊化設(shè)計(jì)，是基于CDMA技術(shù)的DTU，符合CDMA IS-95A/B、CDMA 20001X 空中接口標(biāo)準(zhǔn)，采用低功耗高性能的嵌入式處理器，可高速處理協(xié)議和大量數(shù)據(jù)，內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議棧， 數(shù)據(jù)終端永遠(yuǎn)在線，支持全透明方式下多中心數(shù)據(jù)傳輸，支持根據(jù)域名和IP 地址訪問中心，多種工作模式選擇，使用方便、靈活，軟硬件看門狗設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定，采用5V35V 電壓，供電電源適應(yīng)性更寬，抗干擾設(shè)計(jì)，適合電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用需求，方便的系統(tǒng)配置和維護(hù)借口，支持串口軟件升級(jí)和遠(yuǎn)程維護(hù)。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件主要針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件流程圖如圖3所示。傳感器節(jié)點(diǎn)功能主要是通過傳感器采集數(shù)據(jù)（采集周期為20s），并將數(shù)據(jù)發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)，未采集數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)入休眠期；中心節(jié)點(diǎn)功能主要是接收數(shù)據(jù)，并將其傳至CDMA模塊，最終發(fā)送到監(jiān)控中心，另一方面中心節(jié)點(diǎn)還需對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽，查看是否有新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)為其分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址1。系統(tǒng)監(jiān)控中心主要實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的管理與監(jiān)控，管理界面采用VB語言進(jìn)行開發(fā)，將其部署在一臺(tái)具有外網(wǎng)IP的服務(wù)器上，通過TCP/IP協(xié)議與中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。圖3 系統(tǒng)軟件流程圖5 實(shí)驗(yàn)測試實(shí)驗(yàn)中對(duì)漢江水域的水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，現(xiàn)場布置4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和1個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測pH 值、溫度、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度等參數(shù)。中心節(jié)點(diǎn)將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過CDMA傳輸至監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心通過串口助手軟件查看傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，一次瞬時(shí)結(jié)果如圖4所示圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水環(huán)境多種參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和可靠傳輸，通過監(jiān)控中心可以方便地對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。6 結(jié)束語本文提出了基于zigbee技術(shù)的無線水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在低功耗、具備休眠模式的芯片上實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)利用CDMA技術(shù)解決了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，不僅擴(kuò)大了監(jiān)測范圍，更重要的降低了部署和維護(hù)成本，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。本系統(tǒng)組網(wǎng)方便，可通過增加網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)大子網(wǎng)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)更大范圍的監(jiān)控，也可稍加改動(dòng)實(shí)現(xiàn)其它領(lǐng)域的監(jiān)控，應(yīng)用前景非常廣闊。參考文獻(xiàn)：1陳華凌,陳歲生,張仁政.基于zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)J.儀表技術(shù)與傳感器,2012(1):71-73.2劉輝,趙麗芬,孫番典,張品.基于CC2530的zigbee射頻收發(fā)模塊設(shè)計(jì)J.云南民族大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012,21（6）:452-456.3王劍.基于zigbee技術(shù)的遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)J.節(jié)水灌溉,2011（6）:65-674 Linlin Cuia, Yude Liub, Wentian Shi, Quan Gan, Qi Liu. Res