基于ZigBee技術(shù)的機(jī)房溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

1、 2010.1165技 術(shù) 應(yīng) 用基于ZigBee 技術(shù)的機(jī)房 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計張鳳英1,2 薄文彥1 王秀慧11山西大同大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山西 0370092北京郵電大學(xué)自動化學(xué)院 北京 100876摘要:系統(tǒng)選擇采用JENNIC 高增益大功率模塊JN5121-Z01-M02作為數(shù)據(jù)處理和無線數(shù)據(jù)收發(fā)器件,實現(xiàn)環(huán)境溫濕度的采集和無線傳輸。上位機(jī)基于Labwindows/CVI 開發(fā)圖形界面用戶管理軟件,實時顯示并保存環(huán)境溫濕度參數(shù),實現(xiàn)對機(jī)房環(huán)境的有效監(jiān)測。關(guān)鍵詞:機(jī)房監(jiān)測;溫濕度;WSN ZigBee ;Labwindows/CVI0 前言機(jī)房內(nèi)安裝的負(fù)載設(shè)備,其正常運(yùn)行對環(huán)境溫

2、濕度有比較高的要求。良好的機(jī)房溫濕度監(jiān)控,對充分發(fā)揮計算機(jī)系統(tǒng)的性能,延長機(jī)器使用壽命、確保數(shù)據(jù)安全性以及準(zhǔn)確性是非常重要的問題。計算機(jī)設(shè)備中,通常使用了大批的半導(dǎo)體器件、電阻器、電容器等。在計算機(jī)加電工作時,環(huán)境溫度的升高部會對它們的正常工作造成影響。當(dāng)溫度過高時,可能會導(dǎo)致某些元器件不能正常工作甚至完全失去作用,進(jìn)一步導(dǎo)致計算機(jī)設(shè)備的故障。因此,必須按照各種設(shè)備的要求,把溫度控制在設(shè)定的范圍之內(nèi)。為了確保計算機(jī)安全可靠地運(yùn)行,除嚴(yán)格控制溫度之外,還需要把濕度控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。為此我們設(shè)計了一款通用的機(jī)房溫濕度監(jiān)測系統(tǒng),對機(jī)房環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測,溫濕度超過閾值報警通風(fēng),以保證機(jī)房設(shè)備的

3、良好運(yùn)行。1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)架構(gòu)機(jī)房設(shè)備復(fù)雜多樣,采用傳統(tǒng)有線傳輸存在布線困難,維護(hù)工作量大,不可移動等缺點。無線傳輸則擺脫了線纜的束縛,有安裝周期短,易于維護(hù),擴(kuò)容能力強(qiáng)等優(yōu)點,并且組網(wǎng)靈活,無需為新添加設(shè)備鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò),增加設(shè)備即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測?；诖吮驹O(shè)計采用無線傳輸監(jiān)測方案。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network是由大量低成本、能耗低的微小傳感器節(jié)點(Sensor node構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)。采用多跳對等的通信方式,將具有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元及通信模塊的大量智能節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域,節(jié)點以自組方式形成網(wǎng)絡(luò),能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象信息

4、并處理、傳送到需要的用戶,具有自治、自適應(yīng)等智能屬性。本機(jī)房溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)由一個ZigBee 協(xié)調(diào)器和若干個外接傳感器的終端節(jié)點組成。連接溫濕度傳感器的終端節(jié)點置于機(jī)房各種設(shè)備附近,依據(jù)程序設(shè)定時間定時采集,數(shù)據(jù)采集結(jié)束后,將數(shù)據(jù)以約定格式打包并通過無線收發(fā)模塊發(fā)作者簡介:張鳳英(1980-,女,畢業(yè)于北京郵電大學(xué),碩士研究生,研究方向:嵌入式系統(tǒng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 2010.1166 技 術(shù) 應(yīng) 用送數(shù)到協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器將接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)娇蛻艄芾鞵C 機(jī),通過PC 機(jī)上的基于CVI 圖形界面顯示各類設(shè)備附近環(huán)境的的溫濕度。系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計WSN

5、節(jié)點屬于一個微型嵌入式系統(tǒng),它構(gòu)成了WSN 的硬件基礎(chǔ)平臺,一般由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊四部分組成。從實際情況,本著低成本、低功耗的原則對該系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行設(shè)計。硬件節(jié)點主要方框圖如圖2所示。圖2 硬件節(jié)點方框圖解決方案。JN5121使用硬件MAC 和高度安全的AES 加密加速器,保證了低功耗和處理器的最小工作負(fù)荷,同時也提供了豐富的開關(guān)量和模擬量接口用于連接用戶的應(yīng)用。傳感器模塊負(fù)責(zé)采集指定監(jiān)視區(qū)域的溫度、濕度并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,本設(shè)計采用瑞士Sensirion SHT11數(shù)字溫濕度傳感器。SHT11是瑞士Sensirion 公司推出的基于CMOSens TM 技術(shù)的

6、新型高精度智能溫濕度傳感器。SHT11智能溫濕度傳感器具有數(shù)字式輸出,并具有免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及可全互換等特點。SHT11將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D 轉(zhuǎn)換、二線串行接口全部集成于一個芯片內(nèi),體積僅與大火柴頭相近,使傳感器具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、極高的性價比等優(yōu)點。從而克服了傳統(tǒng)模擬式濕度傳感器需要設(shè)計信號調(diào)理電路,以及所需要的復(fù)雜校準(zhǔn)和標(biāo)定過程,同時也大大提高了濕度傳感器的測量精度。為方便調(diào)試,電源管理模塊選通所用到的傳感器,節(jié)點電源由兩節(jié)1.5V 堿性電池組成,采用LM1117穩(wěn)壓芯片,未來趨勢將采用微型紐扣電池應(yīng)用到終端節(jié)點上,以進(jìn)一步減小節(jié)點體積,便于安裝

7、,但是電量不足以和堿性電池媲美。由于機(jī)房監(jiān)測環(huán)境的特殊性,交流電供電方便,實際使用過程中可以選擇交流電變壓穩(wěn)壓給節(jié)點供電。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)基于ZigBee 協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā),根據(jù)實際機(jī)房溫濕度監(jiān)測需求,建立星型網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)、匯聚數(shù)據(jù)和提供與計算機(jī)管理軟件的接口,終端設(shè)備用來在協(xié)調(diào)器的控制下完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和其它特定的功能。星型網(wǎng)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心,所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信,星型網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備如果需要通信,先把各自的數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,然后由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給對方。協(xié)調(diào)器工作過程如下:系統(tǒng)上電后,微處理器首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化,初始化協(xié)議棧,中斷使能,開中斷,選擇頻段

8、以及PANID 建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)建立成功后進(jìn)入空閑狀態(tài),無線收發(fā)模塊一旦接收到數(shù)據(jù)后,引發(fā)接收中斷,檢查數(shù)據(jù)包接收是否完整正常,數(shù)據(jù)包接收正常則通過串口上傳到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理軟件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理并顯示。串口傳輸完畢后,再次進(jìn)入空閑狀態(tài),協(xié)調(diào)器工作程序流程如圖3所示。終端節(jié)點工作過程為:系統(tǒng)初始化過程和協(xié)調(diào)器相同。 2010.1167技 術(shù) 應(yīng) 用初始化完成,入網(wǎng),成功后進(jìn)入休眠狀態(tài),定時器定時喚醒進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,終端節(jié)點遵循睡眠被喚醒數(shù)據(jù)采集打包發(fā)送睡眠的工作模式。 終端傳感器節(jié)點工作程序流程如圖4所示。圖3 協(xié)調(diào)器程序流程圖 圖 4 終端節(jié)點程序流程圖4 上位機(jī)管理界面設(shè)計監(jiān)測系統(tǒng)用戶管理監(jiān)

9、控界面采用基于虛擬儀器編程語言的Labwindows/CVI 軟件編寫。LabWindows/CVI 是美國NI(National Instrument公司推出的交互式C 語言開發(fā)環(huán)境,是專門用于虛擬儀器開發(fā)的可視化編程語言。與其他編程語言相比,它更具有圖形化交互式設(shè)計方法、豐富的庫文件、提供對多種來自于不同廠家的硬件支持、數(shù)據(jù)庫支持、internet 支持等特點。在系統(tǒng)開發(fā)過程中,以其豐富的虛擬儀表控件簡化了圖形用戶接口的設(shè)計,利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、分析工具,使得大多數(shù)系統(tǒng)分析功能僅僅通過簡單調(diào)用其庫函數(shù)就可以實現(xiàn)。監(jiān)測系統(tǒng)用戶管理軟件具有數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)保存等功能。管理界面如圖5所示。5 結(jié)

10、束語針對機(jī)房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的和發(fā)展趨勢以及當(dāng)前機(jī)房溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的不足,提出了一種全新的基于計算機(jī)監(jiān)控,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線監(jiān)測系統(tǒng)。有線通信和無線通信都有各自的優(yōu)勢和局限性,不同的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用場合、環(huán)境各異。ZigBee 這種嶄新的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的出現(xiàn),為機(jī)房環(huán)境無線監(jiān)測搭建了一個全新的技術(shù)平臺。參考文獻(xiàn)1李志剛.網(wǎng)絡(luò)中心機(jī)房動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)J.南京廣播電視大學(xué)學(xué)報.2009.2樊春,楊天穎等.高校機(jī)房動力及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計J.中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版.2009.3曹長修,紀(jì)強(qiáng)軍.基于ZigBee 技術(shù)的溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)J.自動化博覽.2006.4金海紅.基于Zigbee

11、的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計及其通信的研究D.合肥工業(yè)大學(xué).2007.5鄭明智,孫麗萍.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的機(jī)房溫度監(jiān)控系統(tǒng)J.自動化技術(shù)與應(yīng)用.2009.Temperatre and Humidity of Engine Room Monitoring System Based on ZigbeeZhang Fengying 1,2,Bo Wenyan 1,Wang Xiuhui 11School of Education Science And Technology, Shanxi Datong University, Shanxi,037009,China2School of Automa

12、tion of Beijing University of Posts and Telecommunications , Beijing,100876,ChinaAbstract:A kind of engine room monitoring system solution of wireless sensor networks(WSN based on ZigBee is presented in order to improve the insufficiency of the existing monitoring ways. High-gain power module JN5121-Z01-M02 of Jn5121 series from JENNIC act as controller and radio transceiver,is responsible to data collecting,data