基于ARM和WSN技术的环境信息检测系统设计

引 言

在现代工业、农业、商业等领域中，无线数据监测技术的应用越来越广泛。禽类生活环境复杂且多变，使得现有的环境监测系统限制了养殖业的发展。针对无线环境监测领域中禽舍环境信息监测的多样化，设计一种智能环境监测系统尤为重要，通过多点实时采集环境数据，并控制设备及时改善室内环境，达到科学养殖的目的 [1]。无线传感器网络Wireless Sensor Networks，WSN）可通过各种传感器实时感知和采集各种监测对象的信息，并将采集到的信息以多跳无线网络传送方式传送给用户[2]。系统的数据处理、存储等部分在以 ARM 为核心的开发平台上进行，具有丰富的软硬件资源

1 系统总体方案设计

系统分为信息采集模块、数据通信模块和上位机监控模块三部分。信息采集模块主要是对温度，湿度，NH 浓度的采集 ；数据通信模块包含路由器节点和协调器节点，将采集到的数据通过路由器节点以无线多跳的方式发送给协调器，完成信息数据传输；上位机监控模块主要由图形用户界面和数据库组成，通过界面对接收到的数据进行管理。系统设计总体框图如图 1 所示

2 系统硬件设计

2.1 信息采集模块

在无线通信技术中，WSN 技术主要有 Bluetooth，WiFi UWB，NFC 和 ZigBee 等。在传感器网络应用中，ZigBee 具有技术容量大、组网能力强、成本较低的优点 [3]，虽然传输速度不及其他无线通信技术，但本文系统所设计的环境监测网络数据流量范围在 20 ～250 kbit/s 之间，足以满足系统需求，所以选择 ZigBee 技术组建环境监测系统的无线传感器网络。

信息采集模块主要包括主控制器和用于采集禽舍环境中温度，湿度，NH3 浓度的传感器。系统选用 TI 公司生产的CC2530 作为 ZigBee 节点的主控制器，负责 WSN 的建立、环境信息的采集和传输。CC2530 是一款完全兼容 8051 内核同时支持 IEEE 802.15.4 协议的无线射频单片机 [4]。温度传感器和湿度传感器采用集成的数字式温湿度传感器 SHT10，供电电压为直流 5 V。NH3 浓度传感器采用 MQ-X 型气体传感器模块，采集监测区域内有害气体 NH3 的浓度。气体传感器模块原理如图 2 所示 [5]。

2.2 数据通信模块

在本设计中，ZigBee 模块分为处于ZigBee 网络底层的 EndDevice 模块、数据中转的 Router 模块和网络顶层的Coordinator 模块。由采集禽舍中环境信息参数的传感器检测节点、提供无线信息路由转发功能的路由器节点和负责网络发起、参数设定、数据管理的协调器节点共同构成无线传感器网络 [6]。Coordinator 模块主要负责接收传感器节点发送的无线送，同时作为数据终端设备 DTE 通过RS 232C 与 TTL 电平和逻辑关系的转换，再次使用 MAX232 芯片进行电平转换与嵌入式网关（ARM11）通信

2.3 上位机监控模块

为满足系统设计要求，保证上位机正常运行，系统采用低功耗、低成本、接口丰富的以Samsung 公司生产的 ARM11 微处理器 S3C6410 为核心的嵌入式开发平台[7]。使用可视化编程软件编写，结合 SQLite 存储传感器数据，在用户界面显示传感器数据，实时监测并存储数据，便于后续管理与查看分析。嵌入式网关硬件结构如图 3 所示

3 软件设计

系统的软件设计主要包括无线传感网络软件开发和上位机软件开发两部分。无线传感网络开发用于采集环境信息，组成 ZigBee 网络，实现采集终端节点与协调器的通信主要包括 End Device 节点软件设计，Router 节点软件设计Coordinator 节点软件设计 [8]。上位机软件开发主要包含图形用户界面和数据库开发，工作人员通过图形用户界面直观地读取数据，数据库进行数据存储，便于查看和分析历史数据

3.1 无线传感网络软件开发

在本文所构建的 ZigBee 无线传感器网络中，Coordinator 节点上电后，首先初始化硬件和协议栈，然后通过检测和扫描信道能量，从中选出能量最强的空闲信道建立网络 [9]。成功建立网络后，进入侦听状态，若有设备申请入网则允许其加入并为之分配 16 位的网络地址，同时建立绑定文件。若没有则 Coordinator 串口还可利用 DMA 的方式接收嵌入式网关ARM11）发来的命令数据，并将命令数据无线发送给 End Device ；若 Coordinator 节点收到 End Device 节点发来的无线数据，则直接将该数据通过RS 232 串口发往嵌入式网关继续处理。Coordinator 节点的软件设计流程如图 4 所示

Router 节点在本系统中仅仅负责子节点入网请求和转发数据/ 命令。End Device 节点上电初始化后，开始寻找可加入的网络信道，并向 Coordinator 或 Router 节点发送入网申请若成功入网，Router 或 Coordinator 节点会给其分配一个 16 位的网络地址 ；若入网失败，则继续向 Router 或 Coordinator 节点发送入网请求，直到成功入网。成功入网后，侦听网络信息，查询是否接收到 Coordinator 节点的无线数据。当接收到解析该命令数据时，若是数据采集命令，则启动相应的传感器，获取传感器数据并通过 ZigBee 网络将数据上传到 Coordinator节点 ；若是其他控制命令，则根据命令类型执行相应操作 [10]。End Device 节点的软件设计流程如图 5 所示。

3.2 上位机软件设计

上位机主要由一个移植了嵌入式 Web 服务器和嵌入式数据库 SQLite 的ARM11 平台构成，连接着外部 Internet 和内部负责采集环境信息的 ZigBee 无线传感器网络，从而实现 Web 浏览器与 WSN 之间的信息交互。环境监测现场的数据通过ZigBee 网络 Coordinator 上传到 ARM 网关中，并选用 SQLite 嵌入式数据库对采集到的数据进行管理和维护

4 实验测试与结果分析

系统硬件实物如图 6 所示。最左边为 ARM 网关，ARM 通过串口 0 连接到上位机， 上位机通过ARM 系统终端打印调试信息，Coordinator 节点与ARM 网关的串口 1 相连End Device 节点由电池供电，Router 和 Coordinator 节点均由5 V 电源供电。三个节点组成了 ZigBee 无线传感器网络

图 6 系统硬件实物图

为验证 ZigBee 无线传感器网络和嵌入式网关数据传输存储和显示的正确性，从ARM 网关的 Web 服务器中取出监测区域内 A ～E 5 个监测点监测 12 h 内有害气体 NH 浓度随时间变化的情况，见表 1 所列

由表 1 可知，监测点 A ～E 有害气体 NH 的平均浓度如图 7 所示

图 7 监测点 A ～E 有害气体 NH 的平均浓度

由图 7 可知，监测点 C 和E 的NH 浓度值明显高于其他监测点。结合监测区域通风条件分析，监测点 C 和E 处于监测区域内部通风条件较差的地方，导致 NH 浓度较高，所以通风条件对有害气体浓度有重要影响

在 12 h 内监测区域各监测节点的温度变化范围为16.0 ～23.5 ℃，湿度变化范围为 48 ～64%RH，温湿度基本符合要求

5 结 语

针对传统环境信息监测系统存在安装维护复杂、多点布线困难等问题，本文设计开发了一种基于 ARM 和WSN 技术的环境信息检测系统，主要用于解决禽舍养殖不易实时监测的问题。经过测试验证，该系统正常工作，能够实时准确地检测禽舍环境信息，从而实现智能养殖。