基于CC2530与CC3200的室内环境监测系统设计

蔡俊豪 曹广忠 彭业萍 周受钦

摘  要： 为了更灵活地实现室内空气温度、空气湿度、烟雾浓度值、室内人数等环境参数实时监控与存储管理，设计一种基于CC2530与CC3200的室内环境监测系统。以CC2530为核心处理单元，通过终端节点对室内环境参数进行实时采集，利用ZigBee协调端建立星型网络进行数据无线传送，并采用RS 232串口通信方式将ZigBee协调器分别与上位机和CC3200进行通信。最终上位机对接收到的数据进行实时监控与存储，CC3200对接收到的数据通过WiFi的形式上传到Web服务器，从而为用户对室内环境参数监测与存储提供更好的途径。

关键词： 室内环境监测; 数据存储管理; 数据采集; 星型网络; 数据上传; 系统设计

中图分类号： TN931+.3?34                      文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2019）10?0071?04

Design of indoor environment monitoring system based on CC2530 and CC3200

CAI Junhao1，2， CAO Guangzhong1， PENG Yeping1， ZHOU Shouqin2

（1. Shenzhen Key Laboratory of Electromagnetic Control， Shenzhen University， Shenzhen 518060， China;

2. CIMC Intelligent Technology Company Limited， Shenzhen 518067， China）

Abstract： An indoor environment monitoring system based on CC2530 and CC3200 is designed to realize real?time monitoring and storage management of indoor air temperature， air humidity， smoke concentration， indoor population and other environment parameters. The indoor environment parameters are collected in real time by means of the terminal nodes and the core processing unit CC2530. The ZigBee coordinating end is used to build a star network for wireless transmission of data. The ZigBee coordinator is connected to the upper computer and CC3200 respectively for communication by using the RS?232 serial port communication mode. The upper computer is used to conduct real?time monitoring and storage of the received data， and the CC3200 is used to upload the received data to the Web server by means of the WiFi， so as to provide a better way for users to monitor and store the indoor environment parameters.

Keywords： indoor environment monitoring; data storage management; data acquisition; star network; data upload; system design

0  引  言

随着人们物质生活水平的提高，人们对室内环境重视程度越来越高，但是环境污染日趋严峻，使得室内环境的实时监测变得更加重要。传统的室内环境参数监测主要分为人工离线操作和在线监测两种途径，人工离线操作需操作人员现场对室内的环境参数进行采集，不能实时对环境参数进行监测;在线监测通常采用有线方式，该方式需布线，维护成本较高，不利于普及[1]。针对上述情况，无线通信技术在室内环境监测系统应用被广泛提出。文献[2] 利用ZigBee技术和GPRS通信技术实现对室内环境参数的远程傳输与监测，文献[3]基于Gainspan平台利用WiFi技术实现对室内环境参数监测，文献[4]利用NRF24L01射频组网方式实现对粮仓环境参数监测。

通过以上无线通信技术在室内环境监测系统的探索，借鉴前人的研究经验，本文设计了基于CC2530与CC3200的室内环境监测系统，实现对室内环境参数实时监控，并且能将数据上传至Web服务器进行存储，方便用户对数据监控与管理。

1  系统总体方案

系统主控芯片采用德州仪器公司生产的CC253x系列的控制器——CC2530F256。该芯片使用8051内核，建立在适应2.4 GHz IEEE 802.15.4标准协议上，CC2530F256内置RF收发器，8 KB静态随机存储器。256 KB的闪存块和18个中断源的中断控制器，具有21个通用I/O引脚，5通道DMA，32 kHz的睡眠计时器等丰富的外设接口[5]。系统通过CC3200内置的WiFi模块功能，将数据上传至Web服务器，CC3200是德州仪器公司生产的集成 ARM Cortex?M4内核，运行频率为80 MHz，具有WiFi网络处理器子系统，具有IEEE 802.11 b/g/n射频和TCP/IP堆栈，具备低功耗休眠模式。基于CC2530与CC3200的室内环境监测系统的总体结构示意图如图1所示。

图1  系统总体结构示意图

该系统由终端节点（传感器节点）、协调器、上位机、CC3200和服务器5部分组成。终端节点通过DHT11温湿度传感器、E18?D80NK红外对管传感器、MQ?2烟雾传感器对室内的温度、湿度、人数、烟雾浓度等环境参数进行采集，并将数据发送给ZigBee协调器。ZigBee协调器负责建立星型网络传输方式，接收来自传感器节点的环境参数数据，最后将数据以自定义好的协议通过串口将数据帧发送给上位机和CC3200。上位机负责对室内环境参数进行实时的显示与存储，CC3200负责将数据以WiFi形式发送给Web服务器，上传至云端[6]。

2  传感器硬件设计

系统传感器硬件设计主要分为3个部分：MQ?2烟雾传感器、DHT11温湿度传感器和E18?D80NK红外光电传感器。

2.1  MQ?2烟雾传感器

MQ?2烟雾传感器所采用的气敏材料为在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2），当该传感器所处环境存在烟雾（甲烷、乙烷等可燃气体）时，传感器的电导率随着空气中烟雾浓度的增加而增大。MQ?2烟雾传感器对甲烷、乙烷、烟雾等可燃气体具有较好的灵敏度，具有较长的使用寿命和较好的稳定性，其模拟量输出为0～5 V电压，空气烟雾浓度值越高其电压越高。

2.2  DHT11温湿度传感器

DHT11数字温湿度传感器将数字模块采集技术以及温湿度传感技术相结合，确保其采集数据的准确性。DHT11采用串行接口单总线数据传送方式，每次传送40 bit数据，即8 bit湿度整数部分+8 bit湿度小数部分+8 bit温度整数部分+8 bit温度小数部分+8 bit校验和。本设计中DHT11温湿度传感器用于对室内温度和湿度的采集。

2.3  E18?D80NK红外光电传感器

E18?D80NK红外光电传感器是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出，能有效地避免可见光的干扰。该传感器属于NPN型光电开关，输出高低电平两种状态，检测到目标时低电平输出，正常状况为高电平输出。其工作电压为5 V，工作电流为10～15 mA，感应距离为3～80 cm。本设计中E18?D80NK红外光电传感器用于对室内人数的采集。

3  系统软件设计

系统软件设计主要分为4个部分：终端节点软件设计、协调器软件设计、CC3200软件设计和上位机软件设计。

3.1  终端节点软件设计

图2为终端节点程序流程图，终端节点是带有传感器的网络节点。其软件设计思路为终端节点首先对时钟、定时器、RF射频、传感器等模块进行初始化，接着扫描查找周围是否存在由协调器建立的网络，若存在则申请加入并获取得到由协调器分配的16位短地址;接着进入低功耗休眠模式，当1 s到达时读取传感器数据，将数据发送给协调器后再次进入低功耗休眠模式，并等待下次定时器中断的到来。

3.2  协调器软件设计

图3为协调器程序流程图，协调器是室内环境监测系统数据传输网络的组建节点。其软件设计思路为协调器首先对时钟、定时器、RF射频、UART串口等模块进行初始化;接着初始ZigBee协议栈，对信道进行扫描，选择合适信道后设定网络标识符、64位扩展地址和16位短地址等网络参数。至此ZigBee星型网络建立成功，等待节点入网，当有终端节点入网后，协调器接收终端节点发送过来的数据，并将数据帧通过RS 232串口方式分别发送给上位机和CC3200。

图3  协调器程序流程图

协调器（下位机）与上位机的通信协议为7个8位的数据帧格式，如表1所示。其数据帧内容为1 B的帧头，4 B的数据，1 B检验和以及1 B的帧尾。

3.3  CC3200软件设计

CC3200是该系统將数据上传到云端的中转站节点，其软件设计思路首先对时钟、定时器、UART串口、网络连接、HTTP Client等模块初始化，接着判别CC3200通过WLAN形式是否连接上服务器[7]，若连接成功则以5 s为一个周期将数据发送给服务器。CC3200程序流程图如图4所示。

图4  CC3200程序流程图

3.4  上位机软件设计

图5为室内环境监测系统数据监控界面，图6为后台数据管理模块界面。上位机是室内环境监测系统数据实时显示与存储的终端，该系统上位机是在Microsoft Visual Studio 2015环境下进行开发，由数据监控模块和后台数据管理模块两部分组成[8]。数据监控模块对室内环境监测系统温度、湿度、人数、烟雾浓度值等环境参数进行实时监控，通过上位机所编写虚拟示波器对环境参数进行动态监控。后台数据管理模块将环境参数数据存储到Access数据库中，对历史数据和上位机的登录用户进行管理。

图5  上位机数据监控界面

图6  上位机后台数据管理界面

4  系统测试

4.1  终端节点与协调器通信距离测试

测试要求：分别在空旷和有障碍物的环境下测试终端节点与协调器的有效通信距离。

测试结果：测试结果如表2所示，其中0代表通信失败，1代表通信成功。在空旷环境下有效通信距离为75 m，在有障碍物的环境下通信距离为50 m。

4.2  协调器与上位机通信测试

测试要求：测试协调器（下位机）能否将空气温度、空气湿度、室内人数和烟雾浓度值有效准确地发送给上位机。测试结果：测试结果如图7所示，通过在VS环境下编写的上位机界面显示室内环境参数，结果表明协调器能够准确有效将数据上传至上位机。

图7  室内环境参数显示

4.3  CC3200与服务器通信测试

测试要求：测试CC3200能否将空气温度、空气湿度、室内人数和烟雾浓度值有效准确地发送给服务器。

测试结果：测试结果如图8所示，通过在Web网页上编写界面，显示服务器所接收到的室内环境参数，结果表明CC3200能够准确有效地将数据上传至服务器。

图8   Web网页界面室内环境参数显示

5  结  语

本文设计一种基于CC2530与CC3200的室内环境监测系统，利用ZigBee无线传感器网络技术实现对室内空气温度、空气湿度、人数、烟雾浓度等数据采集，并通过协调器所建立的星型网络将环境参数汇集给协调器，利用RS 232串口通信技术实现协调端（下位机）分别与上位机和CC3200数据传输，利用WiFi技术实现将CC3200接收到的数据发送给Web服务器。该系统实现了对室内环境参数数据的监测与管理。下一步工作是对室内环境参数数据进行处理与分析，实现对室内环境的改善，做出相应的决策与控制。

参考文献

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