引 言

在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等領域中，無線數(shù)據(jù)監(jiān)測技術的應用越來越廣泛。禽類生活環(huán)境復雜且多變，使得現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)限制了養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。針對無線環(huán)境監(jiān)測領域中禽舍環(huán)境信息監(jiān)測的多樣化，設計一種智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)尤為重要，通過多點實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并控制設備及時改善室內(nèi)環(huán)境，達到科學養(yǎng)殖的目的 [1]。無線傳感器網(wǎng)絡Wireless Sensor Networks，WSN）可通過各種傳感器實時感知和采集各種監(jiān)測對象的信息，并將采集到的信息以多跳無線網(wǎng)絡傳送方式傳送給用戶[2]。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、存儲等部分在以 ARM 為核心的開發(fā)平臺上進行，具有豐富的軟硬件資源

1 系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)分為信息采集模塊、數(shù)據(jù)通信模塊和上位機監(jiān)控模塊三部分。信息采集模塊主要是對溫度，濕度，NH 濃度的采集 ；數(shù)據(jù)通信模塊包含路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點，將采集到的數(shù)據(jù)通過路由器節(jié)點以無線多跳的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器，完成信息數(shù)據(jù)傳輸；上位機監(jiān)控模塊主要由圖形用戶界面和數(shù)據(jù)庫組成，通過界面對接收到的數(shù)據(jù)進行管理。系統(tǒng)設計總體框圖如圖 1 所示

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 信息采集模塊

在無線通信技術中，WSN 技術主要有 Bluetooth，WiFi UWB，NFC 和 ZigBee 等。在傳感器網(wǎng)絡應用中，ZigBee 具有技術容量大、組網(wǎng)能力強、成本較低的優(yōu)點 [3]，雖然傳輸速度不及其他無線通信技術，但本文系統(tǒng)所設計的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量范圍在 20 ～250 kbit/s 之間，足以滿足系統(tǒng)需求，所以選擇 ZigBee 技術組建環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡。

信息采集模塊主要包括主控制器和用于采集禽舍環(huán)境中溫度，濕度，NH3 濃度的傳感器。系統(tǒng)選用 TI 公司生產(chǎn)的CC2530 作為 ZigBee 節(jié)點的主控制器，負責 WSN 的建立、環(huán)境信息的采集和傳輸。CC2530 是一款完全兼容 8051 內(nèi)核同時支持 IEEE 802.15.4 協(xié)議的無線射頻單片機 [4]。溫度傳感器和濕度傳感器采用集成的數(shù)字式溫濕度傳感器 SHT10，供電電壓為直流 5 V。NH3 濃度傳感器采用 MQ-X 型氣體傳感器模塊，采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)有害氣體 NH3 的濃度。氣體傳感器模塊原理如圖 2 所示 [5]。

2.2 數(shù)據(jù)通信模塊

在本設計中，ZigBee 模塊分為處于ZigBee 網(wǎng)絡底層的 EndDevice 模塊、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的 Router 模塊和網(wǎng)絡頂層的Coordinator 模塊。由采集禽舍中環(huán)境信息參數(shù)的傳感器檢測節(jié)點、提供無線信息路由轉(zhuǎn)發(fā)功能的路由器節(jié)點和負責網(wǎng)絡發(fā)起、參數(shù)設定、數(shù)據(jù)管理的協(xié)調(diào)器節(jié)點共同構成無線傳感器網(wǎng)絡 [6]。Coordinator 模塊主要負責接收傳感器節(jié)點發(fā)送的無線送，同時作為數(shù)據(jù)終端設備 DTE 通過RS 232C 與 TTL 電平和邏輯關系的轉(zhuǎn)換，再次使用 MAX232 芯片進行電平轉(zhuǎn)換與嵌入式網(wǎng)關（ARM11）通信

2.3 上位機監(jiān)控模塊

為滿足系統(tǒng)設計要求，保證上位機正常運行，系統(tǒng)采用低功耗、低成本、接口豐富的以Samsung 公司生產(chǎn)的 ARM11 微處理器 S3C6410 為核心的嵌入式開發(fā)平臺[7]。使用可視化編程軟件編寫，結(jié)合 SQLite 存儲傳感器數(shù)據(jù)，在用戶界面顯示傳感器數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測并存儲數(shù)據(jù)，便于后續(xù)管理與查看分析。嵌入式網(wǎng)關硬件結(jié)構如圖 3 所示

3 軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要包括無線傳感網(wǎng)絡軟件開發(fā)和上位機軟件開發(fā)兩部分。無線傳感網(wǎng)絡開發(fā)用于采集環(huán)境信息，組成 ZigBee 網(wǎng)絡，實現(xiàn)采集終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器的通信主要包括 End Device 節(jié)點軟件設計，Router 節(jié)點軟件設計Coordinator 節(jié)點軟件設計 [8]。上位機軟件開發(fā)主要包含圖形用戶界面和數(shù)據(jù)庫開發(fā)，工作人員通過圖形用戶界面直觀地讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，便于查看和分析歷史數(shù)據(jù)

3.1 無線傳感網(wǎng)絡軟件開發(fā)

在本文所構建的 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡中，Coordinator 節(jié)點上電后，首先初始化硬件和協(xié)議棧，然后通過檢測和掃描信道能量，從中選出能量最強的空閑信道建立網(wǎng)絡 [9]。成功建立網(wǎng)絡后，進入偵聽狀態(tài)，若有設備申請入網(wǎng)則允許其加入并為之分配 16 位的網(wǎng)絡地址，同時建立綁定文件。若沒有則 Coordinator 串口還可利用 DMA 的方式接收嵌入式網(wǎng)關ARM11）發(fā)來的命令數(shù)據(jù)，并將命令數(shù)據(jù)無線發(fā)送給 End Device ；若 Coordinator 節(jié)點收到 End Device 節(jié)點發(fā)來的無線數(shù)據(jù)，則直接將該數(shù)據(jù)通過RS 232 串口發(fā)往嵌入式網(wǎng)關繼續(xù)處理。Coordinator 節(jié)點的軟件設計流程如圖 4 所示

Router 節(jié)點在本系統(tǒng)中僅僅負責子節(jié)點入網(wǎng)請求和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)/ 命令。End Device 節(jié)點上電初始化后，開始尋找可加入的網(wǎng)絡信道，并向 Coordinator 或 Router 節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)申請若成功入網(wǎng)，Router 或 Coordinator 節(jié)點會給其分配一個 16 位的網(wǎng)絡地址 ；若入網(wǎng)失敗，則繼續(xù)向 Router 或 Coordinator 節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求，直到成功入網(wǎng)。成功入網(wǎng)后，偵聽網(wǎng)絡信息，查詢是否接收到 Coordinator 節(jié)點的無線數(shù)據(jù)。當接收到解析該命令數(shù)據(jù)時，若是數(shù)據(jù)采集命令，則啟動相應的傳感器，獲取傳感器數(shù)據(jù)并通過 ZigBee 網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳到 Coordinator節(jié)點 ；若是其他控制命令，則根據(jù)命令類型執(zhí)行相應操作 [10]。End Device 節(jié)點的軟件設計流程如圖 5 所示。

3.2 上位機軟件設計

上位機主要由一個移植了嵌入式 Web 服務器和嵌入式數(shù)據(jù)庫 SQLite 的ARM11 平臺構成，連接著外部 Internet 和內(nèi)部負責采集環(huán)境信息的 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡，從而實現(xiàn) Web 瀏覽器與 WSN 之間的信息交互。環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過ZigBee 網(wǎng)絡 Coordinator 上傳到 ARM 網(wǎng)關中，并選用 SQLite 嵌入式數(shù)據(jù)庫對采集到的數(shù)據(jù)進行管理和維護

4 實驗測試與結(jié)果分析

系統(tǒng)硬件實物如圖 6 所示。最左邊為 ARM 網(wǎng)關，ARM 通過串口 0 連接到上位機， 上位機通過ARM 系統(tǒng)終端打印調(diào)試信息，Coordinator 節(jié)點與ARM 網(wǎng)關的串口 1 相連End Device 節(jié)點由電池供電，Router 和 Coordinator 節(jié)點均由5 V 電源供電。三個節(jié)點組成了 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡

圖 6 系統(tǒng)硬件實物圖

為驗證 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡和嵌入式網(wǎng)關數(shù)據(jù)傳輸存儲和顯示的正確性，從ARM 網(wǎng)關的 Web 服務器中取出監(jiān)測區(qū)域內(nèi) A ～E 5 個監(jiān)測點監(jiān)測 12 h 內(nèi)有害氣體 NH 濃度隨時間變化的情況，見表 1 所列

由表 1 可知，監(jiān)測點 A ～E 有害氣體 NH 的平均濃度如圖 7 所示

圖 7 監(jiān)測點 A ～E 有害氣體 NH 的平均濃度

由圖 7 可知，監(jiān)測點 C 和E 的NH 濃度值明顯高于其他監(jiān)測點。結(jié)合監(jiān)測區(qū)域通風條件分析，監(jiān)測點 C 和E 處于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部通風條件較差的地方，導致 NH 濃度較高，所以通風條件對有害氣體濃度有重要影響

在 12 h 內(nèi)監(jiān)測區(qū)域各監(jiān)測節(jié)點的溫度變化范圍為16.0 ～23.5 ℃，濕度變化范圍為 48 ～64%RH，溫濕度基本符合要求

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)存在安裝維護復雜、多點布線困難等問題，本文設計開發(fā)了一種基于 ARM 和WSN 技術的環(huán)境信息檢測系統(tǒng)，主要用于解決禽舍養(yǎng)殖不易實時監(jiān)測的問題。經(jīng)過測試驗證，該系統(tǒng)正常工作，能夠?qū)崟r準確地檢測禽舍環(huán)境信息，從而實現(xiàn)智能養(yǎng)殖。