本實(shí)用新型涉及監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種成本低廉、配置方便的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著人們對(duì)于環(huán)境的日益關(guān)注，環(huán)境科學(xué)所涉及的范圍越來(lái)越廣。在日常生活中經(jīng)常需要對(duì)環(huán)境的各種因素（包括溫度、濕度和有害氣體等）進(jìn)行檢測(cè)、控制等。通過(guò)傳統(tǒng)方式采集環(huán)境監(jiān)測(cè)的原始數(shù)據(jù)是一件很困難的工作。傳統(tǒng)的以微處理器為中心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，往往采取有線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在布線復(fù)雜、鋪設(shè)線路受限、穩(wěn)定性差、靈敏度低等問(wèn)題。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）為各種復(fù)雜環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)的獲取提供了方便。應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般具有配置方便、便宜、長(zhǎng)期不需更換電池、無(wú)需派人現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)密集的節(jié)點(diǎn)布置，可以觀察到微觀的環(huán)境因素變化的特點(diǎn)和趨勢(shì)。此外，WSN還被用于自然環(huán)境中的災(zāi)害預(yù)警、生態(tài)監(jiān)測(cè)及特定對(duì)象的數(shù)量監(jiān)測(cè)等方面。從與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)比的技術(shù)角度來(lái)看，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不論在技術(shù)上和還是實(shí)用性上都具備了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境科學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)階段，發(fā)展起來(lái)并熱門流行的短距離無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分別是WiFi、藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee、超寬帶技術(shù)(UWB)和近距離無(wú)線傳輸(NFC)技術(shù)。其中，ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。

目前，雖然有ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與安卓智能終端聯(lián)合應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中的研究出現(xiàn)，但是其研究不夠深化具體，且針對(duì)兩者之間難以直接連接的問(wèn)題沒(méi)有提出明確的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1.要解決的技術(shù)問(wèn)題

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其深化研究ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)與安卓智能終端在環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，具體提出各部分之間的通信方式，可以對(duì)不同時(shí)間、任意地點(diǎn)的溫度、濕度和有害氣體等環(huán)境因素進(jìn)行跟蹤；具有成本低廉、配置方便、監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)、可靠穩(wěn)定、便于拓展等諸多特點(diǎn)和應(yīng)用價(jià)值；且可通過(guò)安卓智能手機(jī)方便地對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)注和需求。

2.技術(shù)方案

為解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型采取如下技術(shù)方案：

一種無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其包括ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)程序及Android APP，所述ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)施包括協(xié)調(diào)器及與協(xié)調(diào)器聯(lián)通的多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，所述終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路分別與環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、LED顯示模塊連接；所述協(xié)調(diào)器通過(guò)USB串行通信方式與上位機(jī)通信；所述上位機(jī)程序采用Socket通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與Android APP之間的通信。

進(jìn)一步地，所述ZigBee的節(jié)點(diǎn)模塊以CC2530芯片為核心。

進(jìn)一步地，所述ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

具體地，所述環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器包括溫濕度傳感器和氣體傳感器，所述LED顯示模塊包括LED顯示屏和LED燈。

進(jìn)一步地，所述溫濕度傳感器采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，所述氣體傳感器采用MQ-2氣體傳感器，所述LED顯示屏采用OLED顯示屏。

進(jìn)一步地，所述LED燈的驅(qū)動(dòng)電路采用由PWM調(diào)光的HV9910B芯片，用來(lái)控制LED燈的光強(qiáng)。將脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為精準(zhǔn)的恒定電流，從而驅(qū)動(dòng)高功率LED燈。

具體地，所述上位機(jī)為PC機(jī)。上位機(jī)（系統(tǒng)服務(wù)器）對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸速率等通信參數(shù)的要求并不高，可以使用PC機(jī)來(lái)代替。

進(jìn)一步地，所述上位機(jī)通過(guò)短距離USB數(shù)據(jù)線連接實(shí)現(xiàn)與協(xié)調(diào)器的通信。

進(jìn)一步地，所述上位機(jī)程序基于Socket通信技術(shù)通過(guò)WIFI網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與Android APP的雙向通信。

3.有益效果

（1）本實(shí)用新型采用ZigBee無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)，同時(shí)融合socket網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及Android終端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)由ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)程序和Android APP三部分組成和融合的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。可以對(duì)不同時(shí)間、任意地點(diǎn)的溫度、濕度和有害氣體等環(huán)境因素進(jìn)行跟蹤；具有成本低廉、配置方便、監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)、可靠穩(wěn)定、便于拓展等諸多特點(diǎn)和應(yīng)用價(jià)值；且可通過(guò)安卓智能手機(jī)方便地對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，能夠滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)注和需求。

（2）本實(shí)用新型以PC機(jī)作為上位機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)Android智能終端對(duì)無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制，避免了ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議不同而難以融合的問(wèn)題；同時(shí)，使用USB數(shù)據(jù)線直接連接上位機(jī)和ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，不僅能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的控制功能，上位機(jī)與ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙，有線的串行通信可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)所有的控制功能；而且開發(fā)工作量適中。

（3）Android終端的APP在啟動(dòng)后需要主動(dòng)與服務(wù)器進(jìn)行連接，不僅要向服務(wù)器發(fā)出控制指令，還要能夠接收服務(wù)器發(fā)來(lái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息。也就是說(shuō)智能終端和服務(wù)器之間進(jìn)行的是雙向通信，故而采用Socket通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于TPC/IP通信協(xié)議的通信。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型所提供系統(tǒng)的硬件組成圖；

圖2為基于HV9910B的降壓恒流LED驅(qū)動(dòng)電路圖；

圖3為CC2530 I/O口的資源分配電路圖；

圖4為ZigBee的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

實(shí)施例

一種無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其包括ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)程序及Android APP。

該系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示，所述ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)施包括協(xié)調(diào)器及與協(xié)調(diào)器聯(lián)通的多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，所述終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路分別與環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、LED顯示模塊連接；所述協(xié)調(diào)器通過(guò)USB串行通信方式與上位機(jī)通信。

為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與Android APP之間的雙向通信，所述上位機(jī)程序采用Socket通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)與Android APP之間的通信。

1.終端節(jié)點(diǎn)連接的環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的具體設(shè)置

在本實(shí)施例中，所述環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器包括溫濕度傳感器和氣體傳感器；所述LED顯示模塊包括LED顯示屏和LED燈。具體地，所述溫濕度傳感器采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，所述氣體傳感器采用MQ-2氣體傳感器，所述LED顯示屏采用OLED顯示屏。

在本實(shí)施例中，所述LED燈的驅(qū)動(dòng)電路采用由PWM調(diào)光的HV9910B芯片，用來(lái)控制LED燈的光強(qiáng)?？蓪⒚}沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為精準(zhǔn)的恒定電流，從而驅(qū)動(dòng)高功率LED燈。基于HV9910B的降壓恒流LED驅(qū)動(dòng)，其電路如圖2所示。工作過(guò)程及原理如下：

輸入選用8～30V的直流電壓，正極接到HV9910B的VIN引腳，輸入電壓通過(guò)電容C2濾波。場(chǎng)效應(yīng)管IRFL014起到開關(guān)的作用：當(dāng)其打開時(shí)，輸入電流經(jīng)過(guò)負(fù)載高亮LED、電感L1、開關(guān)管IRFL014、檢測(cè)電阻R1流入到地。在這個(gè)過(guò)程中，電感不斷地存儲(chǔ)能量并且電流線性上升，檢測(cè)電阻R1上的電壓也跟著不斷上升；當(dāng)R1上的電壓達(dá)到HV9910B CS引腳的檢測(cè)電壓時(shí)，開關(guān)管IRFL014關(guān)閉。IRFL014關(guān)閉時(shí)，因?yàn)殡姼蠰1具有阻礙電流變化的作用，所以電感的電流繼續(xù)通過(guò)續(xù)流二極管MURS240T3為負(fù)載LED供電，這個(gè)過(guò)程中電感電流從峰值線性下降?？梢缘玫浇Y(jié)論：輸出電流即為電感電流的平均值。

2.ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的具體設(shè)置

在本實(shí)施例中，所述ZigBee的節(jié)點(diǎn)模塊以CC2530芯片為核心。CC2530芯片就是給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的芯片，功耗極低，價(jià)格也相對(duì)低，關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的資料是相對(duì)要多的。

對(duì)于CC2530芯片來(lái)說(shuō)，I/O口是重要的內(nèi)部資源，如何合理分配并保證各種傳感器或驅(qū)動(dòng)電路的正常運(yùn)行，是硬件研發(fā)的重點(diǎn)。如圖3所示，本實(shí)施例以P0.6為氣體傳感器的輸入引腳，定義為“普通I/O”和“輸入”；P0.7為溫濕度傳感器的輸入輸出引腳，定義為“通用I/O”；P1.0為驅(qū)動(dòng)LED燈光亮度的PWM波輸出引腳，定義為“普通I/O”和“輸出”；P1.2 和P1.3為OLED顯示屏的“時(shí)鐘”和“數(shù)據(jù)”引腳，通過(guò)IIC方式實(shí)現(xiàn)CC2530與OLED的通信。

在本實(shí)施例中，所述ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，組網(wǎng)容易，控制方便，易于管理，網(wǎng)絡(luò)延遲少，誤碼率低。需要說(shuō)明的是：圖4中含有路由器，路由器可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，起到路由的作用；也可以收發(fā)數(shù)據(jù)，作為數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)使用；路由器肩負(fù)著保持網(wǎng)絡(luò)暢通的職責(zé)，為后加入的節(jié)點(diǎn)分配地址。但是由于本實(shí)施例中終端節(jié)點(diǎn)較少且使用了星狀拓?fù)?，所以本設(shè)計(jì)無(wú)需路由器。但不代表永遠(yuǎn)不使用，可以想象，如果本設(shè)計(jì)大量擴(kuò)展ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，那么路由器的作用就不可忽視了。

3.上位機(jī)和Android APP的具體設(shè)置

為了避免ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議不同而難以融合的問(wèn)題，且考慮到實(shí)施、控制等的難度問(wèn)題，所述上位機(jī)為PC機(jī)。使得系統(tǒng)的管理和監(jiān)控功能大大增強(qiáng)。

因?yàn)閆igBee網(wǎng)絡(luò)本來(lái)就是無(wú)線的，協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)本來(lái)就具備無(wú)線通信的優(yōu)點(diǎn)，沒(méi)有必要再耗費(fèi)資源和人力，通過(guò)GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與協(xié)調(diào)器的連接。故而，所述上位機(jī)通過(guò)短距離USB數(shù)據(jù)線連接實(shí)現(xiàn)與協(xié)調(diào)器的通信。

智能終端（手機(jī)）基于Android系統(tǒng)的APP設(shè)計(jì)，不僅可以與服務(wù)器在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)通過(guò)無(wú)線WIFI進(jìn)行通信，也可以通過(guò)移動(dòng)通信公網(wǎng)實(shí)行遠(yuǎn)距離的通信，即GPRS的遠(yuǎn)程通信方式。這兩種通信方法均可采用Socket通信技術(shù)，根據(jù)TCP/IP通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集或指令控制。在本實(shí)施例中，所述上位機(jī)程序基于Socket通信技術(shù)通過(guò)WIFI網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與Android APP的雙向通信。

4.工作原理

上述環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理為：ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)用來(lái)接收環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)，轉(zhuǎn)化為模擬信息并傳送給上位機(jī)；上位機(jī)用來(lái)接收并存儲(chǔ)ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳送來(lái)的信息，還可將信息傳送給相應(yīng)的Android APP；操作人員通過(guò)智能手機(jī)上的Android APP從上位機(jī)中調(diào)看相關(guān)信息，并下達(dá)查詢、控制命令；上位機(jī)又將Android APP的命令傳送給ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)控制環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置執(zhí)行命令。

所述ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部工作原理為：協(xié)調(diào)器起著組織、管理網(wǎng)絡(luò)和發(fā)號(hào)施令的作用，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)，它會(huì)為新節(jié)點(diǎn)分配地址；終端節(jié)點(diǎn)如果接收到協(xié)調(diào)器的命令，則根據(jù)查詢命令或控制命令進(jìn)行處理——將各種傳感器（主要有溫濕度傳感器和氣體傳感器）測(cè)量的數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器；控制LED顯示屏顯示；或者輸出PWM波至驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)LED燈光的亮度。

本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來(lái)說(shuō)明本實(shí)用新型，而并非用作為對(duì)本實(shí)用新型的限定，只要在本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對(duì)以上所述實(shí)施例的變化、變型都將落在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍內(nèi)。