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基于GPRS技術和無線傳感器網絡實現溫濕度監測系統的設計

電子設計 ? 2020-02-27 08:10 ? 次閱讀

1、概述

溫濕度監測的應用需求在眾多領域引起了高度關注,糧庫、溫室大棚、工業安全監控系統等都需要實時地監測環境溫濕度。在實際應用中,參數采集點往往具有分布離散、移動性強等特點,導致傳統的有線監測布線困難。隨著無線傳感器網絡和遠程傳輸技術的發展,為系統自動化在線實時監測提供了實現途徑。基于ZigeBee無線模塊傳感器網絡具有組網簡單靈活、在線壽命長及移動性強等優點;而GPRS技術是中國移動推出的無線傳輸業務,采用分組交換技術,具有超強的穩定性和可靠性。本次設計正是基十這兩種無線傳輸技術,以CC2530芯片為主體,實現了區域性傳感器數據采集與遠程數據傳輸。這種將PAN網絡和GSM公用網絡相融合的采集方法具有覆蓋范圍大、穩定性強、精度高和應用環境廣泛的優勢。

2、系統結構與工作原理

如圖所示,該監測系統由ZigBee數據采集終端節點、ZigBee數據采集網關節點以及ZigBee數據采集移動接收終端構成。ZigBee數據采集終端節點是用來采集傳感器數據,并將采集到的數據通過ZigBee網絡發送到協調節點的一種精簡功能設備(RFD) 。網關節點由ZigBee數傳網絡的全功能設備(FFD)和GSM模塊TC35i構成,FFD在此又承擔著PAN網絡的協調器任務,所以又叫做協調節點。網關節點主要功能是ZigBee網絡和GSM網絡通信接口之間的轉換。協調節點將收集到的數據通過RS232發送給GSM模塊,從而實現將無線個域網的數據匯聚并轉發到GSM公用網絡;通過GSM網絡,系統將采集到的溫濕度數據實時一地傳輸到遠程監控中心或用戶移動終端。

基于GPRS技術和無線傳感器網絡實現溫濕度監測系統的設計

3、系統硬件設計

3.1 ZigBee無線模塊設計

本設計的ZigBee數據采集終端節點和控制節點都是采用CC2530作為主控芯片。CC2530內部集成了符合2. 4G IEEE802.15. 4標準的射頻收發器,在軟件上添加ZigBee協議棧之后,可以實現ZigBee模塊組網。該芯片內置了32M的品體振蕩器、16M和32.768K的RC振蕩器,在不同的應用需求下,可以選擇對應的振蕩器以降低功耗,如在體眠模式下就可以使用32. 768K的RC振蕩器。另外,CC2530還內置了豐富的通信接口,如A/D模數轉換接口、SPI接口及UART通用串行口,能夠滿足目前大部分傳感器接口的應用需求。所以,使用該芯片后,系統的采集功能具有很好的擴展性。

基于GPRS技術和無線傳感器網絡實現溫濕度監測系統的設計

2.2 GSM通信模塊設計

網關節點的GSM通信采用西門子公司推出的支持中文短消息的工業級TC35i模塊,其GPRS模塊永久在線功能提供了最快的數傳速率。其體積小巧、功耗低,能提供數據、短信、語音、傳真等功能,可廣泛用于遙感測量記錄傳輸、遠程信息處理和電話等。下圖所示,SMS模塊主要包括接口電路、SIM片座電路和串口電路。TC35i電源供電范圍為DC3.3-4.8V。

基于GPRS技術和無線傳感器網絡實現溫濕度監測系統的設計

3.3傳感器模塊設計

3.3.1溫度傳感器電路

本設計選用DS18B20作為溫度傳感器,是一種單總線數據溫度傳感器,測量范圍廣、精度高;通信時無需時鐘線,只需一根通信線,可與CC2530的任一普通IO口實現通信,本設計采用P1. 1。外圍電路配置非常簡單,只需1根4. 7kSZ的上拉電阻;1腳和3腳分別接地和電源(5V) ,2腳接數據端口。

3.3.2濕度傳感器電路

采用法國Humirel公司生產的HS1101作為濕度采集傳感器,測量范圍為0%一100% RH,誤差在士2% RH,年漂移量小。HS1101的電容量會隨著空氣濕度的變化而呈同性變化,將HS1101振蕩電路中所產生的正弦波電壓信號經整流、直流放大,再通過的A/D轉換模塊將輸出的直流電壓轉化為數字量。

4、系統軟件設計

系統ZigBee網絡的實現是基于Z-Stack協議棧的,采集節點的主要任務就是負責采集傳感器的數據,并且將處理后的采集數據通過ZigeBee無線模塊發送給網絡協調節點。采集節點上電后,首先會進行硬件的相關初始化,包括時鐘初始化、無線寄存器初始化及通信接口等外圍模塊的初始化。然后,采集節點會掃描所有信道,尋找最佳的鄰居協調者,并請求加入。由于采集節點使用電池方式供電,節點的功耗要保持很低。軟件設計時,可以采用周期性發送的機制,節點只有在周期性喚醒時才會采集傳感器數據并且開啟無線通信功能,其他時間均處于眠狀態。采集節點軟件流程如圖所示。

基于GPRS技術和無線傳感器網絡實現溫濕度監測系統的設計

5、結論

采用ZigBee技術與GPRS技術相結合的溫濕度智能監測系統具有布置簡單、成本低、穩定性高等特點,適用于人員不便達到的惡劣環境。該系統具有良好的擴展性,通過ZigBee數傳模塊簡單的二次開發即可實現多種環境參數采集。為了減少ZigBee數傳模塊無線通信的能量損耗和網絡擁塞,還可以在無線退避算法和數據融合方面作進一步的研究。

責任編輯:gt


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