目前随着工业生产自动化程度不断提升温湿度等生产环境要素监控智能化程度也在不断发展传统测量设备功能单一采用线缆连接各测量节点测量系统架设复杂数据处理实时性不高随着短距离无线通信技术嵌入式技术和传感器技术的发展工业现场测量系统的网络化智能化得到快速提升本文开发了基于ZigBee无线模块Mesh网络的温湿度测量系统具有网络覆盖能力强测量精度高现场架设便捷系统智能化程度高的特点适合工业现场大范围温湿度测量监控应用

1 系统总体设计方案

无线温湿度测量系统将现场温湿度验证记录与ZigBee数传网络融为一体具备ZigBee数据采集存储和处理分析的功能用户可通过上位机软件掌握现场环境数据系统总体结构由无线测量终端无线基站和上位机构成使用LabWindows/CVI编程开发的上位机软件实现对无线基站和无线测量终端的管理测量控制以及数据上传处理无线基站采用AT91SAM9263工业级微处理器结合支持ZigBee数传应用的片上系统芯片CC2530作为硬件平台建立和维护整个ZigBee网络无线测量终端以低功耗处理器MSP 430F 2618作为控制核心负责传感器数据采集和处理通过搭载的CC2530无线网络模块加入现场测量网络并上传测量数据

ZigBee无线模块网络采用网状Mesh网络的拓扑结构其网络路由自动建立和维护网络节点可通过多条路径传输数据即便某个节点离开网络与其关联的节点自动寻找其他路径重新加入网络实现路由修复提高了网络可靠性ZigBee数传网络中无线基站和无线测量终端分别作为协调器和路由器构成Mesh网络网络覆盖能力强系统架设灵活系统结构如图1所示

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1 系统结构图

2 硬件设计

2.1无线基站

无线基站是无线温湿度测量系统中的关键节点一方面负责与上位机通信获取工程配置信息测量结束后将各网络节点数据上传至PC另一方面创建和维护ZigBee数传网络实现无线测量终端的入网和管理网络数据汇集存储和转发无线基站采用AT91SAM9263作为控制核心其内部嵌入了高达220MIPS每秒百万条指令的处理器内核96KB内部SRAM支持外部总线以及丰富的外设资源AT92SAM9263外部DDRAMNorFlash组成最小系统基础上结合ZigBee无线模块串口通信液晶显示SD卡存储实现相应功能

串口采用RS232电平与PC实现通信LCD高彩色液晶显示系统状态及实时测量数据SD卡保存所有节点历史数据

ZigBee无线模块采用CC2530高度集成片上系统芯片结合外围硬件电路及外置全向天线配备TI标准ZStack-CC2530协议栈作为网络协调器实现对无线测量终端的管理和数据传输无线基站框图如图2所示

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2 无线基站

2.2无线测量终端

无线测量终端以低功耗处理器MSP 430F 2618为核心采用与无线基站同样的CC2530片上系统芯片主要实现温湿度ZigBee数据采集存储和上传作为网络路由器节点完成转发通信和路由维护等功能无线测量终端主要包括MSP 430F 2618微处理器子系统A/D转换控制ZigBee数传模块网络人机接口SD卡存储电源管理等单元模块

温度测量使用铂电阻传感器PT100湿度测量采用湿度传感器HC2传感器的输出为0~1V的电压信号传感器数据采集使用分辨率为16位的ΣΔ模数转换芯片AD7715MSP 430F 2618微处理器采用SPI接口通信无线测量终端9路铂电阻和3路湿度传感器测量通道复用一个A/D转换芯片通过I/O口控制模拟开关和多路选择器选择需要测量的通道进行采样

人机接口采用拓普微公司LM2068图形点阵液晶显示模块液晶与MSP 430F 2618采用并口连接方式系统集成的4个按键的小键盘可用于/关机启动测量和显示无线测量终端使用SD存每个测量通道的数据MSP 430F 2618采用SPI接口实现SD卡接口通信BQ27501芯片与微处理器之间通过I2C总线实现电量测和管理无线测量终端图如图3所示

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3 无线测量终端

3 软件设计

3.1 Mesh网络路由设计

Mesh网络的路由算法主要实现选择快捷的路网络资源减轻系统通信负高网络通同时由于无线测量终端采用电池供个无线测量终端导致网络拓结构发生变化情况下必须保证数据传输快速恢Mesh网络采用AODV算法Cluster-Tree算法相结合的路由设Cluster-Tree算法需要维护路由节点收到信息后立即传输给下节点该算法够减少路由协议的控制开销法保证的路为最成网络各节点通信量分配严重失衡

AODV算法是一按需驱动路由协议其路由过分为路由发现和路由维护部分无线基站和无线测量终端之间需要通信时源节点发路由发现过广播一个路由请求邻居节点收到路由请求判断自己该次路由发现的标节点则回复路由应并在所有节点建路由若不则继续转发路由请求直标节点路由维护是通过周期性地HELLO报文来知邻居节点通信状态确认路由完若某个节点跳离开网络向上节点报告路由断开信息相关节点丢弃路由源节点开始重新路由发现该算法够快速确地创建源节点到目标节点的路由而且路由节点需要个网络的所有路由信息网络中路由状生变化其相关节点能够快速响消除路由信息实现路由自动修

无线温湿度测量系统的网络通信遵循

1终端维护获取所有将要使用的终端MAC地址;(2启动无线基站其作为唯一的网络协调器建立和初始化ZigBee数传网络;(3启动各无线测量终端其作为网络路由器加入ZigBee数传模块网络同时上传本终端信息;(4无线基站收集所有在线测量终端ZigBee数据采集信息向上位机智能温湿度测量管理系统软件报告网络状态;(5上位机向无线基站发送工程配置信息无线基站广播配置信息根据配置启动相关传感器通道测量;(6无线测量终端将测量数据通过路由传送至无线基站无线基站将数据汇集处理存储并上传给上位机智能温湿度测量管理系统软件分析处理;(7网络以固定时间间隔120s进行路由信息维护若某个无线测量终端离开网路则向无线基站报告终端离开并重新开始相关节点的路由发现进行路由修复

3.2上位机软件设计

上位机软件使用LabWindows/CVI软件编程实现工程配置传感器校准和数据分析三大功能工程配置实现的功能有:(1传感器分组设置;(2按键/越限/周期/定时启动模式设置;(3按键/越限/超时停止测量设置;(4采样间隔设置;(5报警参数设置传感器校准分为铂电阻校准和湿度传感器校准两部分铂电阻校准通过在各温度节点采集校准数据利用PC强大的计算能力进行铂电阻非线性拟合生成校准参数并分析校准精度湿度传感器为线性输出只需线性校准即可校准系数通过串口下载到测量终端测量结束后上位机导入SD卡中数据产生报警信息并生成数据报表上位机程序流程图如图4所示

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4 上位机程序流程图

3.3无线基站软件和无线测量终端软件设计

无线基站软件实现下载测量工程文件无线测量终端控制测量数据汇集存储和上传软件编程采用操作系统抽象层OSAL多任务资源分配机制根据系统功能内聚性及时间紧迫程度按优先级由高到低将任务划分为网络任务串口任务SD卡存储任务和显示任务各任务初始化以后系统处于空闲状态采用事件轮询方式当事件发生时唤醒系统进行相应任务处理处理完回到空闲状态若几个事件同时发生按优先级依次处理

无线测量终端软件实现系统所有测量功能主要包括网络通信传感器通道测量数据存储界面显示耗等任务软件同样采用OSAL多任务处理机制在系统空闲状态进入睡眠状态系统部关地降低系统功

4 系统测试

PC安装上位机智能温湿度测量管理系统软件使用串口连接脑与无线基站10个无线测量终端分别布置在室外连续测量48温湿度情况使用上位机智能温湿度测量管理系统软件读取采样数据并制数据线部分数据显示如图5所示图中显示传感器通道编及其线颜色格左边刻度为温度右边刻度为湿度线显示48时内温湿度情况系统测显示系统网络可数据采集准系统良好的操作性

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5 系统界面

本文设计基于ZigBee无线模块Mesh网络的温湿度测量系统设计了嵌入式技术和无线传感网络技术通过组建无线ZigBee数传模块网络无线ZigBee数据采集终端作为路由器节点采用多传输的方式将数据传送到无线基站上位机软件无线基站通信到工范围多点温湿度测量的无线网络采用Mesh网络的拓扑采用AODVCluster-Tree相结合的路由算实现快速路由发现和路由维护目前系统已经成功应用于实验室温湿度定和校准载其传感器应用于相关理量测量领域

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