基于WSN的环境质量监测系统设计与实现*

2015-03-25沈佳辉陆家明

通信技术 2015年9期

关键词：低功耗环境质量无线

沈佳辉，骆懿，陆家明

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州 310018)

基于WSN的环境质量监测系统设计与实现*

沈佳辉，骆懿，陆家明

(杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州 310018)

提出、设计并验证了一种低成本、低功耗的分布式环境质量无线实时监测系统。该系统采用基于TI CC2530微控制器的ZigBee无线协议栈。无线采集节点内置的MSP430G2553微控制器收集温湿度传感器、空气微粒传感器和光传感器得到的环境质量数据经由ZigBee无线传感网传送至ZigBee-IP网关。基于S3C2440的嵌入式ZigBee-IP网关将采集到的环境质量数据以Web网页的形式向互联网用户提供实时环境质量报告。该系统针对目前百姓普遍关心的环境质量问题，对于政府环保部门、大型污染企业环境质量监控等有一定的参考及推广价值。

ZigBee；MSP430G2553；Mini2440；环境监测

0 引言

随着社会发展进步，人们越来越重视生活环境质量问题。特别是在一些中大型的城市，环境质量已经纳入为衡量该城市综合实力的标志[1-2]。为了监测环境质量我们设计了一套完整的环境质量监测系统，与传统的环境质量监测系统相比，使用ZigBee无线传感网[3]具有传感器节点布置随意性、传感器节点数量的可扩张性、传感器网络通信的无线性等特点。本文采用ZigBee网络来监测周边环境状况，在需监测的区域放置传感器节点并通过上位机将实时数据传至互联网，监控人员可以在任意时间和地点通过互联网监控该区域的环境质量状况。

1 环境质量监测系统结构

环境质量监测系统主要由3个部分组成：ZigBee无线传感网络、互联网以及用户监控中心。如图1和图2所示。

图1 环境质量监测系统示意

图2 环境质量监测系统实物

其中传感器节点有目标性地布置在监测区域，如办公楼、医院、会场或者图书馆等等。传感器节点与上位机之间选择无线通信[4]，这是由于采用无线的方式不仅方便初始节点的布置，也有利于随时更换传感器节点在室内监测的位置。

系统的无线通信部分选择ZigBee技术，ZigBee协议是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。它支持多种网络拓扑结构如：树状结构、星型结构、网状结构等。在本系统中ZigBee模块的重要作用为将传感节点和服务器组成局域网，每个节点都可以单独与服务器通信，也可以节点之间相互通信。

系统工作原理：

(1)ZigBee协调器生成特定的PANID组建ZigBee网络，传感器节点搜索与自身匹配PANID并加入到该网络；

(2)传感器节点实时采集周围的环境状况数据：温湿度、PM2.5浓度和光照强度，并将采集到的数据通过无线链路发送给ZigBee-IP网关[5-8]；

(3)ZigBee-IP网关接收到数据后通过路由器发送到互联网，用户可通过互联网来实时监控传感器节点周围的实时环境状况。

2 传感器节点设计

传感器节点的模块构成如图3所示，其中包括了3种不同类型的传感器以及MSP430主控模块[9]和ZigBee无线传输模块。

图3 传感节点模块组成示意

其中系统采用的DHT11温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保具有极高的可靠性和长期的稳定性。其中DH11温湿度传感器的电路连接如图4所示。每一次数据的采集总共为40 bit，其中包括16 bit的温度数据，16 bit的湿度数据以及8 bit的校验位。

图4 DH11与MCU连接

PM2.5传感器采用夏普光学灰尘传感器(GP2Y1010AU0F)，该传感器包括1个红外发光二极管和光电晶体管，通过检测在空气中的灰尘反射光来判断空气中的微尘含量。不同于DH11数字传感器，模拟传感器必须使悬浮颗粒物传感器的输出引脚输出正比于悬浮颗粒物浓度的模拟电压值。为此我们根据芯片手册，在传感器内部LED发光的第3个引脚上输入1个周期为10 ms，占空比为0.32 ms的方波，此时输出引脚的脉冲波形所对应的模拟电压值恰好正比于悬浮颗粒物浓度的电压值，再根据图5关系曲线，就能计算出当前的悬浮颗粒物浓度数据。

图5 输出电压与悬浮颗粒物浓度关系曲线

该系统采用由TI公司提供的G2553 Launch Pad作为主控芯片，可支持多达16个IO口，两个按键和两个LED，并提供在线调试功能。其中MSP430G2553单片机中的软件流程如图6所示。系统上电后执行初始化操作，初始化内容包括串口(38400)、DHT11、ADC、按键和LED的初始化。接下来开始多次采集数据去平均值并保存到数组，当有命令被接收时，判断是发送数据命令还是打开/关闭设备命令，若是发送数据命令，系统将数据按照一定格式打包上传，若是打开/关闭设备命令，系统将判断相应命令并执行打开或关闭LED。

图6 MSP430程序流程

3 上位机节点设计

上位机Linux软件主要实现Mini2440对串口的操作。Mini2440通过串口把各个节点的数据收集到数组，对数据进行分类统计后，以Html文本的形式输出，使用户可以在浏览器中访问节点数据。软件流程如图7所示。当软件被执行时，首先初始化串口(38 400波特率)，然后向各个节点发送“发送数据”命令，当节点收到命令时，将立即把数据返回，Mini2440把数据分类统计后输出网页，若没有收到数据，系统将一直循环发送指令，直到有相应数据收到为止。

图7 上位机Linux程序流程

4 系统的低功耗设计

4.1 基于低功耗的各模块选择

为了保证系统中的传感器节点在各种环境下能进行长时间工作，节点中的各模块均选用了低功耗器件。

其中选用DHT11温湿度传感器是因为该传感器普通电源模式下待机电流仅为100 μA，正常工作平均电流为0.2 mA，在单总线供电模式下则更加节能。此外光学灰尘传感器(GP2Y1010AU0F)也属于低功耗传感器，其LED终端电流以及工作电流最大值为20 mA。

主控模块MSP430G2553单片机，有5种节能模式，普通运行模式下工作电流仅有230 μA，待机模式下仅有0.5 μA。

ZigBee无线传输模块的工作电压为3.3 V，并且基于Zigbee2007/PRO 无线通信协议，其发射电流最大值为34 mA，接收电流最大值为25 mA，平均工作电流为30 mA，休眠电流在1 μA左右。

基于以上各模块的低功耗原则，传感器节点的供电方式不像类似协调器和上位机的USB供电，而是直接采用两节5号干电池作为供电电源。

4.2 基于低功耗的休眠控制

为了将系统中的传感器节能耗将至最低，除了采用低功耗的各器件外，在主控模块MSP430以及ZigBee无线传输模块的程序中分别采用了休眠机制。

ZigBee无线传输模块内部有一个简单多任务的操作系统-OSAL。其中低功耗管理主要涉及的程序在OSAL_PwrMgr.C 和hal_sleep.c文件中，分别为OSAL的电源管理API和底层电源管理。开启睡眠模式的命令语句如下(其中数据1为有效)：

#define PWRMGR_ALWAYS_ON 0

#define PWRMGR_BATTERY 1

OSAL系统在检查完所有的任务事件之后发现没有事件需要处理则会选择系统进入休眠。设置“myReportPeriod”的值即可调整节点的睡眠周期，可以利用计时器设置动态睡眠周期，从而使得传感器节点仅在需要的时候进行数据采集和发送。

主控模块MSP430的低功耗设计主要采用了中断唤醒的方式，程序中分别定义的AD中断、串口接收中断、按键中断以及PWM中断。在main函数开始执行后，首先对串口、时钟、按键、LED等进行配置，配置完成后进入低功耗模式并激活中断，语句如下：

__bis_SR_register(GIE);

该语句执行后，表示模块进入低功耗模式0(LPM0)，在此模式下，仅仅关闭MCLK主时钟，即关闭CPU的运行来达到降低能耗的目的。

4.3 系统能耗测试

对于本系统中协调器节点采用5 V的USB电源供电，传感器节点的供电一律采用两节5号碱性干电池，为了保证测试的公平性采用全新未拆封的干电池。测试环境选择室内，测试传感器节点数量为4个。距离协调器节点选择10 m，测试结果如表1和表2所示。

表1 传感器节点续航时间测试(全速工作)

表2 传感器节点续航时间测试(开启休眠)

测试结果说明在全速工作状态下，传感器节点的工作电流约80 mA，主要的耗电模块为光学微尘传感器模块(20 mA)和ZigBee无线传输模块(30 mA)。在开启休眠模式后，传感器节点将不再以全速状态进行工作，此时平均工作电流降至10 mA以下，该平均工作电流为休眠电流和全速运行电流的加权平均，此时各个节点的待机时间均能超过13天。

5 Web显示与控制界面

5.1 Web主要框架

网站主要使用了bootstarp3.10版本进行开发，Bootstrap是Twitter推出的一个用于前端开发的开源工具包，它由Twitter的设计师Mark Otto和Jacob Thornton合作开发，是一个是基于HTML、CSS、JAVASCRIPT框架，是目前最受欢迎的前端框架。

5.2 Web界面描述与实现

主页面效果如图8所示，主要功能模块可分为产品说明、节点分布、节点开关、测试图形以及数据查看。页面使用iframe标签使得各个页面在同一页面上不进行地址的跳转，这样方便用户进行查看和管理。

图8 Web显示主页面效果

(1)节点分布：该界面简单说明传感器节点所在位置的信息。如图9所示，后期可将图片替换为详细的节点位置信息用于定位各个节点所在的详细位置。

图9 节点分布显示界面

(2)节点开关：Mini2440开发板上的BOA服务器使用cgi(通用网关接口)文件来处理网络逻辑相关的部分。这里设置了分布的4个节点的开关按键，开关打开时表示节点开启，开关关闭时表示节点关闭，可参考图10。

图10 节点开关界面

(3)数据显示：ZigBee网络通过串口发送到Mini2440开发板上的4个节点的数据分别是：温度、湿度、光照强度及PM2.5的数值。通过建立图表的方式在Web页面中呈现出来(如图11所示)。图表通过横向的对比4个节点同一时间同一项数据的实时值，并且每隔3 s实时更新在页面上。

图11 数据显示界面

5.3 Web系统的特点与后续开发

现有的web系统仅支持数据的实时观测以及节点的控制和位置观察，在后续的开发中可逐步完善其功能，例如为了实现对以往环境检测数据的存储和调用可引入数据库，其次网站的安全机制方面需要完善，完善用户登录、加密及搜索的功能等。

6 结语

本文以监测环境质量为研究切入点，从软硬件两方面设计并介绍了一种基于ZigBee以及MSP430的环境质量监测系统。该系统将温湿度传感器、PM2.5空气微粒传感器和光传感器三种传感器相结合，测量环境参数通过无线链路发送至ZigBee-IP网关，并最后以Web网页的形式在互联网向用户发送实时监测报告。该系统具有高效性、节能性、实时性与可扩展性等特点，可满足大型污染企业、工业场所、政府办公楼或者学校实验室的空气质量检测要求。

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Design and Realization of Environmental Quality Monitoring System based on WSN

SHEN Jia-hui，LUO Yi，LU Jia-ming

(College of Communication Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou Zhejiang 310018,China)

A wireless real-time distributed environment quality monitoring system with low-cost and low-consumption is proposed, designed and verified. This system adopts ZigBee wireless protocol stack based on TI CC2530 micro controller, and the MSP430G2553 micro controller in wireless acquisition section collects the environmental quality data from the temperature -humidity sensor, air particle sensor and light sensor then transmits the data to the ZigBee-IP gateway through ZigBee wireless sensor network. The embedded ZigBee IP gateway based on S3C2440 sends environmental quality data in the form of Web page to Internet users, thus providing a real-time environmental quality report. This system is of certain reference and popular significance for those who are closely concerned with environmental quality monitoring, including government environmental departments and large polluting enterprises.

ZigBee;MSP430G2553;Mini2440;environmental monitoring

2015-03-19；

2015-07-20 Received date:2015-03-19；Revised date：2015-07-20

TP212.9

1002-0802(2015)09-1087-05