基于MSP430的環(huán)境監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)化平臺設(shè)計(jì)

摘要：為進(jìn)行多樣性的環(huán)境監(jiān)測以綜合分析環(huán)境變化，設(shè)計(jì)了一種基于MSP430微處理器的環(huán)境監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)化平臺，MSP430微處理器的節(jié)點(diǎn)之間通過Zigbee技術(shù)組成物聯(lián)網(wǎng)分散在檢測區(qū)域，能夠?qū)υ撈瑓^(qū)域進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測。同時，該節(jié)點(diǎn)還擴(kuò)展和標(biāo)準(zhǔn)化了各種接口，使更多的傳感器能夠方便地接入該節(jié)點(diǎn)。對環(huán)境綜合信息監(jiān)測平臺的研究具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；Zigbee；MSP430；標(biāo)準(zhǔn)化

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）18-4502-05

宏觀的大片區(qū)域，如農(nóng)田、森林、草原等，環(huán)境因子復(fù)雜，通常包括CO2濃度、有毒氣體的濃度（SO2、CO濃度）、溫濕度、光照度、煙霧濃度以及土壤濕度等[1]。要監(jiān)測這些環(huán)境因子以達(dá)到對環(huán)境的綜合分析就需要多種傳感器。然而在實(shí)際中，各種傳感器有著不同的數(shù)據(jù)通信接口（如I2C、SPI接口），且輸出電壓電平、電流電平也不盡相同。因此，不同的傳感器很難方便地接入到同一個監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，從而給環(huán)境綜合信息監(jiān)測帶來困難。

針對此問題，本研究設(shè)計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)化的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)以MSP430單片機(jī)為核心處理器，在分析市面上常用的一些監(jiān)測環(huán)境因子的傳感器后，充分利用該單片機(jī)，對各種接口進(jìn)行擴(kuò)展以及電壓電平、電流電平的標(biāo)準(zhǔn)化，從而實(shí)現(xiàn)各種傳感器模塊在平臺點(diǎn)上的即插即用功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)平臺是以Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議為基礎(chǔ)構(gòu)建的，搭建的系統(tǒng)采用分層次結(jié)構(gòu)[2]，其具體構(gòu)架如圖1。傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)均勻散布于整個監(jiān)測區(qū)域，感知各自周圍環(huán)境因子的變化，通過Zigbee協(xié)議采用自組網(wǎng)和多跳通信方式[3]將環(huán)境變化量傳送給上一級網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將收集到的所有子網(wǎng)信息通過內(nèi)網(wǎng)傳給更上一級的中心服務(wù)器。中心服務(wù)器有一個數(shù)據(jù)庫專門存放這些變化量，并和Internet網(wǎng)絡(luò)連接。這樣，用戶終端就可以在手機(jī)或PC上通過相應(yīng)的服務(wù)程序訪問到數(shù)據(jù)庫，從而獲得環(huán)境變化信息。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體硬件框架

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由處理器模塊、無線通信模塊、傳感器模塊、標(biāo)準(zhǔn)化接口以及被控單元組成，結(jié)構(gòu)如圖2。

核心處理器模塊采用美國德州儀器（TI）生產(chǎn)的MSP430，它是一款高速低功耗控制芯片，集成了10 kB的SRAM，48 kB的編程ROM以及1 MB的擴(kuò)展flash存儲器。無線通信模塊采用Chipcon公司的一款符合IEEE 802.15.4規(guī)范的射頻芯片CC2420[4]，該芯片傳輸距離遠(yuǎn)，在視界無障礙物條件下可達(dá)300～400 m，消耗功率低且有超強(qiáng)的抗干擾能力，睡眠模式下電流僅為0.1 μA。傳感器模塊通過標(biāo)準(zhǔn)接口連接，將監(jiān)測信息傳給用戶，同時用戶可以下達(dá)命令對開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量等被控對象進(jìn)行執(zhí)行控制。整個節(jié)點(diǎn)用2節(jié)5號電池供電，用USB接口燒寫和調(diào)試程序，無線通訊使用2.4 GHz的DMA外接天線[5]。

2.2 傳感器輸出格式

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)常見監(jiān)測環(huán)境因子的傳感器的輸出數(shù)據(jù)形式如表1。數(shù)據(jù)通信接口主要有標(biāo)準(zhǔn)串口、I2C接口、SPI接口等。在該設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)中，硬件模塊接口包括外擴(kuò)flash、CC2420、GPS模塊（用于節(jié)點(diǎn)定位）、LCD顯示模塊、傳感器模塊及其他被控單元，這樣就會遇到接口不夠用的問題，需要擴(kuò)展接口。

由于MSP430單片機(jī)A/D接口只識別0.0～3.3 V電壓，而從表1可以看出各傳感器輸出的電流、電壓信號都不能直接應(yīng)用到MSP430單片機(jī)上，需要對電流、電壓進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2.3 串行口擴(kuò)展

I2C是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，主要用于微控制器與外圍設(shè)備的短距離通信。I2C總線由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCK構(gòu)成，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，但不支持全雙工方式。通過對I2C接口進(jìn)行擴(kuò)展，可以使微控制單元通過I2C總線擴(kuò)展出更多的I/O接口以連接更多的傳感器和被控單元（圖3）。I2C接口擴(kuò)展可以采用TI的PCF8574和PCF8574A這接口擴(kuò)展芯片，其區(qū)別僅在于器件地址不同。該類芯片具有體積小、電路連接簡單、不占用系統(tǒng)地址總線和數(shù)據(jù)總線的優(yōu)點(diǎn)。同一I2C總線上可連接多達(dá)8個PCF8574和8個PCF8574A器件，由于每個器件具有8個I/O口，因此理論上采用PCF8574和PCF8574A可使單個I2C總線能控制多達(dá)128個I/O。圖3示意I2C總線連接兩個PCF8574。

SPI是Motorola公司提出的四線同步雙向串行總線，具有高速、全雙工的特點(diǎn)。一般的SPI接口包括4種信號，分別是SDI（數(shù)據(jù)輸入）、SDO（數(shù)據(jù)輸出）、SCK（時鐘）和CS（片選）。CS信號可以實(shí)現(xiàn)一個主設(shè)備與多個從設(shè)備的通信，在有多個從設(shè)備的情況下，通過譯碼電路，可以確定CS信號和從設(shè)備。

I2C和SPI接口無論是從資源利用、抗干擾能力還是從通信速率、協(xié)議的復(fù)雜度來講都各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際進(jìn)行選取，兩接口擴(kuò)展出的I/O能夠滿足一般應(yīng)用。

2.4 電平標(biāo)準(zhǔn)化

電平的標(biāo)準(zhǔn)化分為電壓電平的標(biāo)準(zhǔn)化和電流電平的標(biāo)準(zhǔn)化。

2.4.1 電壓電平標(biāo)準(zhǔn)化 傳感器輸出的模擬電壓電平一般是0～5 V和0～10 V，要通過標(biāo)準(zhǔn)化電路將其轉(zhuǎn)換為0.0～3.3 V。可采用TI公司的LM324（雙電源）這一廉價的方案來解決電壓的轉(zhuǎn)變問題，轉(zhuǎn)換電路見圖4。

0～5 V電平標(biāo)定可采用下述方法：輸入端接地，測量1腳輸出和7腳輸出，應(yīng)為0 V。調(diào)節(jié)輸入端，使輸入最大為5 V，調(diào)節(jié)R2，使得1腳輸出為-3.3 V，使得OUT端輸出為3.3 V。繼續(xù)均勻減小輸入端電壓觀察輸出端是否也均勻變化。若均勻變化，則說明電路可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的功能。0～10 V標(biāo)定和0～5 V標(biāo)定一樣，但電路中LM324的供應(yīng)電壓應(yīng)采用±12 V。采用此方式調(diào)節(jié)的輸入電壓、輸出電壓見圖5。從圖5可見輸入0～5 V、0～10 V與輸出0～3.3 V呈線性關(guān)系對應(yīng)，說明該設(shè)計(jì)電路達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)節(jié)要求。

2.4.2 電流電平標(biāo)準(zhǔn)化 部分傳感器輸出電流微弱（如有毒氣體傳感器），很難被MSP430接收，因此需要進(jìn)行電流標(biāo)準(zhǔn)化，將其轉(zhuǎn)換為0～3.3 V可識別的電壓。

轉(zhuǎn)換電路一般分恒勢電路、V/I變換器電路、4～20 mA電流轉(zhuǎn)0～3.3 V電路。主要方法是將微弱、非線性的電信號放大成線性的電壓信號，然后經(jīng)過變換器電路轉(zhuǎn)換為4～20 mA電流信號，最后轉(zhuǎn)變成0～3.3 V電壓信號（圖6）。測試圖6的電路設(shè)計(jì)結(jié)果（圖7）表明設(shè)計(jì)電路能夠?qū)崿F(xiàn)電流電平標(biāo)準(zhǔn)化。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用TinyOS操作系統(tǒng)NesC編寫，具體思路是傳感器采集信號經(jīng)MSP430的AD轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)存儲于緩沖區(qū)，然后打包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳給PC，通過調(diào)用Java程序，在PC上直觀看到各傳感器采集到的數(shù)值。其流程如圖8。

4 可視化平臺

接入光照、溫濕度和土壤濕度傳感器，將監(jiān)測節(jié)點(diǎn)散布于不同位置。用戶可通過網(wǎng)站查詢觀測站，如圖9箭頭所指處顯示，點(diǎn)擊箭頭所指處則會出現(xiàn)如圖10所示的觀測站地圖標(biāo)識，圖中箭頭所指處表示監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的位置，點(diǎn)擊箭頭所指處節(jié)點(diǎn)則可以看到該節(jié)點(diǎn)采集的實(shí)時數(shù)據(jù)，如圖11。

5 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證該監(jiān)測節(jié)點(diǎn)是否適于實(shí)際應(yīng)用，分別從數(shù)據(jù)可靠性和通信質(zhì)量兩個方面進(jìn)行了考察。

5.1 數(shù)據(jù)可靠性分析

數(shù)據(jù)可靠性是監(jiān)測節(jié)點(diǎn)實(shí)際應(yīng)用的重要指標(biāo)。為驗(yàn)證可靠性，隨機(jī)選擇一個采樣點(diǎn)，并將溫度值作為分析數(shù)據(jù)可靠性的參數(shù)，采取人工和節(jié)點(diǎn)測量兩種方法進(jìn)行對比，并默認(rèn)人工采得的數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)自動收集的數(shù)據(jù)與準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進(jìn)行比較（圖12）。由圖12可以看出，使用環(huán)境監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集的溫度信息與人工采集的數(shù)據(jù)在絕大多數(shù)情況下誤差不超過1 ℃。由此可知，該節(jié)點(diǎn)可靠性高，能夠滿足環(huán)境監(jiān)測的要求。

5.2 無線通信質(zhì)量分析

由于系統(tǒng)采用的是基于Zigbee協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量是衡量系統(tǒng)的另一個重要指標(biāo)。驗(yàn)證時只考慮無線傳輸中的網(wǎng)絡(luò)丟包率，圖13是對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)20 d網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包情況的研究，從中可以看出這個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)丟包率始終在15%以下，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身系統(tǒng)信息冗余性的固有特點(diǎn)，可認(rèn)為無線通信質(zhì)量符合環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)量的需要。

6 小結(jié)

基于Zigbee組成的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。但在監(jiān)測區(qū)域中較多監(jiān)測節(jié)點(diǎn)監(jiān)測對象單一，這樣不僅會造成資源浪費(fèi)也會增加通信負(fù)擔(dān)，影響采集數(shù)據(jù)的可靠性。

本研究旨在建立標(biāo)準(zhǔn)化接口節(jié)點(diǎn)，分別從硬件和軟件兩個方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，使該節(jié)點(diǎn)能夠承載更多的傳感器，從而達(dá)到對環(huán)境的綜合監(jiān)測。通過設(shè)計(jì)的可視化平臺，管理人員可以方便、直觀地對某點(diǎn)的環(huán)境進(jìn)行綜合分析。對該設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)分別從網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量、數(shù)據(jù)可靠性兩方面進(jìn)行考察，驗(yàn)證了該節(jié)點(diǎn)有實(shí)際應(yīng)用價值。

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