基于校园环境监测的无线传感器网络节点设计

宋相慧 郑莹莹

（广东开放大学（广东理工职业学院） 广东省广州市 510091）

良好的校园环境是师生生活学习的重要保障，做好校园环境监控也就非常必要的了。传统的环境监测多采用有线系统，降低了系统的灵活性、可拓展性和可维护性，增加了成本；无线传感器网络的出现和发展为环境监测提供了极其便利的条件，其成本较低、安装简单，而且它能对环境的质量进行实时的监测，灵活性较高的[1]。根据校园实际情况，设计了一个校园环境监测系统，特别是无线传感器网络节点的设计，用此系统可以监测包括温湿度、光照强度、空气质量、PM2.5等参数，数据通过zigbee无线通信传至汇聚节点，汇聚节点通过串口传至管理中心。

1 系统结构

本系统用于监控校园环境，监控的指标包括光照度、温湿度、空气质量、PM2.5等，整体系统结构如图1。系统包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。传感器节点用于采集环境参数，通过无线传输的方式逐跳的把数据传送给汇聚节点；汇聚节点接收感知节点发送过来的数据，并把收集到的数据转发到管理节点，还可以发布管理节点的监测任务。用户通过管理节点对系统进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。

2 传感器节点设计

传感器节点由数据采集的感知模块、数据处理和存储模块、无线通信模块和节点供电的电源供给模块4个部分组成，如图2所示。

传感器节点中数据处理与存储模块选用TI公司的CC2530F256片上系统[2]，其具有高性能、低功耗的8051微控制器内核，适应2.4GHz IEEE802.15.4的RF收发器，硬件支持CSMA/CA，具有8路输入8位~14位ADC，具有2个支持多种串行通信协议的USART，21个通用I/O引脚。CC2530F256具有许多不同外设可以满足连接不用种类传感器的需求，可以使用串口连接PM2.5传感器，使用IO口连接温湿度、光照传感器，使用ADC连接空气质量传感器。

2.1 传感器模块

传感器节点中的传感器模块由传感器、A/D转换器组成，负责感知监控对象的信息。根据具体应用，本系统监测环境所选用传感器有：

2.1.1 温湿度传感器

选用DHT11温湿度传感器，它是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器，其精度湿度+-5%RH，温度+-2℃，量程湿度20-90%RH，温度0～50℃。DHT11采用单总线数据格式，DATA引脚用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，该引脚接CC2530主控模块的P0.7引脚。

2.1.2 光照传感器[3]

选用BH1750光照传感器，其是一种两线式串行总线接口的集成电路，可以根据收集的光线强度数据来进行环境监测，其具有1~65535 lx的高分辨率，可支持较大范围的光强度变化。BH1750的SCL引脚与CC2530的P1.0引脚连接，SDA引脚与CC2530的P1.1引脚连接。

2.1.3 空气质量传感器

选用MQ-135传感器。MQ135气体传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其它有害气体的监测也很理想，可检测多种有害气体，气体敏感元件测试浓度范围：10 to 1000ppm。

2.1.4 PM2.5传感器

选用PMS5003激光传感器，其是一款基于激光散射原理的通用颗粒物浓度传感器，可测量PM1.0、PM2.5、PM10的值，数据通过UART串口直接输出，PMS5003激光传感器与CC2530通过串口连接。

图3：电源供给模块

图4：协调器工作流程

图5：传感器节点工作流程

2.2 电源供给模块

一般传感器节点是由电池供电，电池耗尽节点失效，为了延长节点的使用寿命，本系统使用锂电池与太阳能供电相结合方式给节点供电，实现能量的自给自足。如图3所示，电源模块主要由太阳能光伏电池板和锂电池组成[4][5]。选用功率为5V/6W太阳能电池板发电，USB接口输出；锂电池充放电模块通过Micro-USB接口连接太阳能电池板，经过充电保护电路的升压保证了锂电池的充电电压，放电时，经过放电保护电路的稳压恒流产生5V/500mA的输出。太阳能供电模块支持边充电边放电，在白天有日照时节点通过太阳能进行供电，并使节点中锂电池保持充电状态；在晚上或阴雨天，节点通过锂电池给各个模块供电，维持节点的正常工作。

3 系统软件设计

系统软件包括传感器节点软件、协调器节点软件、管理中心软件。传感器节点和协调器节点都采用CC2530结合Z-Stack协议栈进行设计与开发，开发环境选用IAR集成开发环境。管理中心软件使用C#和SQL2008开发。

Z-Stack是ZigBee协议栈，为开发者提供了大量的程序代码和API函数接口，装载在一个基于IAR开发环境的工程里；开发者在现有工程的基础上进行修改，添加自己的应用程序，调用API函数，实现具体应用需求。整个Z-stack的主要工作流程，大致分为系统启动，驱动初始化，OSAL初始化和启动，进入任务轮循几个阶段。

协调器负责启动网络，是网络中的第一个设备，协调器选择一个信道和网络ID创建网络，并广播这个信道和网络号，传感器节点启动后扫描到周边的网络，向协调器发出加入网络请求，协调器收到请求后允许节点入网，节点入网成功后向协调器节点发送采集的环境数据，协调器节点接收采集数据，上传到管理节点[2][6]。协调器节点工作流程如图4所示，传感器节点工作流程如图5所示。

4 结束语

本文设计的无线传感器网络节点基于Zigbee系统，节点是由太阳能电池板和锂电池共同供电，节点不会由于电池没电而失效，为系统的长期运行提供保障，节点连接的传感器可以测量温湿度、空气质量等环境参数，系统实现起来高效、低成本，在校园环境监测方面可扩展性强。