环境参数监测系统设计

2013-12-17黄俊霖吴垣春王二伟

电子科技 2013年4期

黄俊霖，董洁，吴垣春，王二伟

(1.西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 710071;2.西安电子科技大学通信工程学院，陕西西安 710071)

物联网技术的发展促进了传感器技术在生产生活中的应用。随着人们生活水平的提高，对于生活环境也更加关注;精确种植的提出需要对环境参数的监测［1］。人们对环境参数监测有着越来越多的需求，本系统主要设计用于监测农业种植环境中的温湿度以及家庭环境的可燃气体浓度。

ZigBee具有低成本，低功耗，低复杂度以及自组网的特点，在物联网的数据传输中得到了广泛的应用。TI公司推出的CC2530芯片结合其推出的Z－STACK协议栈，在 ZigBee应用中占有重要地位，设计使用CC2530作为ZigBee数据传输的芯片。使用ST公司最新推出的一款集成了以太网MAC层协议的STM32F107处理器，加上物理层DP83848芯片，实现了传感器数据同以太网数据服务器的数据传输。

1 总体方案

系统设计目标是将家庭或户外需要检测的环境参数信息进行采集，并发送到服务器上储存以便随时查看。如图1所示，系统主要包括3部分:(1)传感器节点。即获取各种环境参数数据并且将其传输到协调器的节点。(2)网关。接收传感器节点数据然后将其转发到以太网服务器。(3)网络数据管理。接收到网关发送来的数据，并储存到服务器数据库以供查询。

图1 系统整体

2 系统具体实现方案

2.1 传感节点设计

传感器节点用于接收环境参数监测传感器发送来的数据，进行初步处理后通过ZigBee网络发送到网关［2］。传感器节点模块如图2所示，主要包括供电装置，传感器和数据接收处理与通信3部分。

供电部分使用1 200 mA的可充电锂电池，在没有交流电的情况下，可以使用锂电池供电，使用时间长达15天，室内使用可以直接通过稳压电源接到220 V交流电，实现不间断供电。

系统使用的传感器包括温湿度传感器和可燃气体传感器。温湿度传感器使用的是SHT11［3］，是由瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片，该芯片其特点有:高集成度体积小，采用两线串行接口方便各类单片机系统使用，测量精度高且可编程调节，内置A/D转换器;功耗低，平均功耗150μW。温湿度传感器通信时钟线SCK与CC2530的P2.2管脚连接，数据线DATA与CC2530的P2.3管脚连接，通过CC2530软件模拟两线串行通信实现与SHT11的通信，模块连接图如图4所示。可燃气体传感器使用TGS813［4］，是Figaro公司生产的宽范围可燃气体传感器，主要特点有:对多种气体敏感，如甲烷、一氧化碳、乙醇等多种气体具有较高的灵敏度、寿命长、工作电压范围宽(5～24 V)［5］。TGS813的简化设计图如图3所示，为简化设计将传感器供电端Vc与加热丝供电VH连接在一起用一个5 V电源供电。将处理后的TGS813模拟信号连接到CC2530的模拟数据采集端P0.6管脚，实现对于可燃气体浓度数据的采集，由于集成了温度和湿度传感器，所以可使用采集到的温湿度数据对可燃气体的浓度数据进行校正，从而得到更加准确的数据，与CC2530 管脚连接如图4 所示［6－7］。

图4 传感器与CC2530连接图

数据处理以及通信使用TI公司的ZigBee芯片CC2530。CC2530是用于 2.4 GHz IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE应用片上系统(SoC)解决方案。其结合了RF收发器的优良性能和业界标准的增强型8051 CPU。CC2530还具有不同的运行模式，使它适应超低功耗的应用需求，而且运行模式之间的转换速度快进一度减小了其功耗。在数据处理时使用CC2530自带的8051内核进行处理，然后进行数据发送。传感器节点在软件配置时配置成路由节点或终端节点［8］。

2.2 网关设计

网关用于接收传感器节点发送来的数据进行二次处理，然后将数据发送到网络服务器上。网关包括两部分:接收传感器数据部分、处理和发送数据到网络服务器部分。

接收传感器数据使用的是 CC2530芯片，与STM32F107核心处理器通过串口进行数据交换连接方式如图5所示。在Z－STACK协议栈配置时将这个节点配置成协调器节点。协调器节点起到了网络组建以及接收节点网络发送来的数据的作用。

图5 网关通信连接图

数据处理以及转发数据使用ST公司针对以太网推出的基于ARM Cortex－M3核的STM32F107作为主控芯片，最高工作频率为72 MHz、内置高速存储器，具有丰富的增强I/O端口和外设资源，其内部虽然包含了以太网MAC控制器，但并未提供物理层接口。设计使用的是DP83848作为物理层接口，其是美国国家半导体生产的10/100 Mbit·s－1以太网接口芯片，具有低功耗、性价比高及通用的网络接口。在STM32F107芯片上移植了LwIP网络协议栈，LwIP是瑞典计算机科学院的一个开源的TCP/IP协议栈实现，LwIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，一般只需几百Byte的RAM和约40 kB的ROM就可运行，这使LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。STM32F107支持IEEE 802.3协议定义的两种标准接口，分别为默认的独立于介质的接口(MII)与精简的独立于介质的接口(RMII)［5］。为简化系统设计，这里使用的是MII，其与STM32F107的连接如图5所示，降低了端口设备硬件设计的复杂度。

2.3 网络数据管理

在连接Internet 网络的服务器上建立数据库，将网关发送来的数据按照类别存储到数据库中，以便随时查询环境参数。数据服务器主要分3个模块:数据接收模块、数据处理模块和数据存储模块。数据接收模块，获取路由发送过来的数据，按照协议组成报文，通过Servlet技术与后台数据库建立连接，实时将数据包发送至数据服务器。数据处理模块，获取客户端发送的数据，将数据包按照协议解包，对数据进行格式化，并过滤掉异常的数据。数据存储模块，将格式化之后的数据储存至数据库，采用MySQL技术，支持多平台数据操作、方便查询。