无线环境监测系统的设计与开发

郑卓然　单承刚　侯艳艳

【摘 要】针对目前大多数无线环境监测系统采用多线制和总线制的连接方式，存在成本较高，施工复杂，可扩展性差，抗干扰能力差，误报率很高等问题，本系统是一种基于无线传感器网络技术的环境监测系统。环境监测系统围绕Cortex-M3架构的STM32F107处理器，系统可靠性高，实用性强，大大降低了制作成本，性能和价格上有很强的竞争力，有很大的市场潜力。

【关键词】Cortex-M3；无线传感器；STM32F107；监测系统

0 引言

物联网技术已经被广泛应用到医疗，交通，农业，国防等等领域，而且市场规模不断扩大。它的无线传输技术的使用极大提高了人们的生活质量。作为物联网领域的无线传输技术之一，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，Zigebee技术的应用对无线环境监测是革命性的，市场前景很好，同时ZigBee技术极大的提高了环境监控的质量和效率。

1 系统设计

系统实现uC/OS-2操作系统在STM32F107处理器上的移植，基于ZigBee技术构建无线传感器网络，实现了环境信息的采集。本系统分为终端节点部分，网关部分，以及移动用户端和上位机部分。终端节点主要是采集环境因子发送给协调器，协调器将信息发送给网关，网关将监测节点信息整合发送给上位机和移动终

端，移动终端和上位机可以反向控制终端节点。

1.1 网关硬件设计

网关主要由芯片STM32F107扩展而成，网关底板与CC2530核心板配合使用可以提供丰富的硬件支持资源。网关底板集成了JTAG接口、按键、LED和LCD、RS232和RS485接口、蜂鸣器、传感器模块、电位器、时钟模块和外扩存储模块等。JTAG接口是连接仿真器下载调试程序的接口。网关硬件结构图如图1所示。

图1 网关硬件结构图

1.2 ZigBee监测节点硬件设计

图2 ZigBee监测节点硬件结构图

ZigBee监测节点采用CC2530单片机，CC2530结合了的RF收发器的优良性能，业界标准的8051CPU，8KBRAM和许多其它强大的功能。外部扩展了温湿度传感器，光照传感器，及火焰传感器。CC2530单片机通过模拟I2C总线的方式对温湿度进行采集，采用A/D转换对光照度进行采集，采用IO检测对火焰传感器进行数据采集。ZigBee监测节点硬件结构图如图2所示。

2 系统软件设计

ZigBee监测节点通过四种传感器采集周围的信息，将接收的信息传给协调器，协调器将数据用数组封装起来，将信息用串口0传送给网关，网关利用串口中断的方式接收来自协调器的数据，同时将数据串口发送至上位机，并且网关UC/GUI界面可以显示节点的环境数据，并可以实现环境异常预警。移动终端可以接入网关获取节点环境数据，并可反向控制。

2.1 ZigBee监测节点软件设计

路由器将采集到的数据发送给协调器，协调器接收到数据后将接收到的数据依次封装到数组，通过串口将封装好的数据发送给网关，协调器节点主导无线环境网络建设的整个过程，主要包括系统初始化、网络的建立、地址的分配和成员的加入、节点设备数据的更新、数据转发表、设备关联表等几个方面，另一方面作为网关和设备节点之间的桥梁，完成网关和设备节点的通信。

2.2 网关的软件设计

在uC/OS-2操作系统环境下，网关的软件设计主要体现为四个任务流。四个任务流分别是startup_task任务，touch_task任务，beep_task任务，ZigBee_task任务。startup_task任务为系统启动任务，包含触摸屏任务、蜂鸣器任务、ZigBee数据处理任务的创建。触摸屏任务touch_task包含初始化GUI界面，每10ms刷新界面显示功能。蜂鸣器任务beep_task实现ZigBee节点报警功能。ZigBee数据处理任务ZigBee_task将申请UART4中断产生的节点数据消息邮箱，将数据拆分，在GUI界面上显示出来。

2.3 上位机软件设计

上位机软件由VB程序语言设计，能够实时显示温度，湿度，光照，火焰数据，同时温度、光照度数据超过设定数值，上位机能够报警，并能反向控制节点预警。

3 实验现象

在液晶屏上有三个NO号分别代表三个节点，第一列是温度显示框，当温度大于25°时第一列文本框里的数字会变红而且发出蜂鸣声，小于25°轰鸣声消失。第二列是光照显示框，数值越大光照强度越高。第三列是火焰显示框，当检测到火焰时数值变成1，文本数值变成红色，实现火灾报警。第四列是湿度文本框，数值越高反映环境湿度越高。最下端三个Beep按钮，分别控制三个节点，点击相应的Beep按钮对应的节点会发出报警声。

在上位机界面的监测节点显示文本框现象与网关实验图一致，在发送区如果输入1点击节点报警按钮，对应1号的终端节点会发出报警声。输入2或者3，对应的节点会发出报警声。温度如果大于25°则温度报警提示旁的图片会变红，小于25°就恢复原状。

4 小结

本文介绍的是采用无线传感器网络技术（ZigBee）实现数据的采集与控制。其中监测节点实现对环境温度、光照度、火焰和湿度的数据的采集，将接收的信息传给协调器，协调器将数据用数组封装起来，将信息用串口COM0传送给网关，网关利用中断的方式接受协调器发送信息整合，在液晶屏上显示，同时将信息利用串口2传给上位机，在上位机上显示，上位机也可以反控监测节点，最后在液晶屏上显示出4种监测因子的数据。

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[责任编辑：王楠]