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作者:劉聖慈,楊哲彰(2010-01-01);推薦:徐業良(2010-01-04)

無線環境溫濕度監測裝置之設計

本文件說明運用ZigBee無線感測器網路技術之環境溫濕度監測裝置設計,內容包含硬體設計、單晶片程式、以及整體性能測試。

1.     硬體設計

本監測裝置硬體包含無線溫濕度監測器以及分散式資料伺服器兩部分。兩裝置分別具備ZigBee(2.4GHz)無線傳輸與接收模組,溫濕度監測器擷取溫濕度數據後,以無線方式傳輸至分散式資料伺服器。無線溫溼度監測器(以下簡稱監測器)內部電路板與外觀如圖1所示,尺寸為120×70×25(mm),主要由「溫濕度感測器」、「單晶片處理器」、「ZigBee無線模組」、以及「電源」等元件構成,各元件連接架構如圖2所示,無線溫濕度監測器電路圖及電路版佈置圖如附錄A,各元件詳細敘述如下:

1. 感測器內部電路板與外觀

2. 無線溫濕度監測器內裝置元件訊號連接

(1)   電源:監測器內的主動元件皆以DC3.3V為標準預設驅動電壓,所有的性能參數亦採用此電壓準位為標準,可接受外部DC4.5-7.5V電源輸入,再以電壓調節器(LM3940)進行穩壓,穩壓後輸出DC3.3V電源供給所有裝置上的元件。此外監測器亦可使用3V電池電源驅動,此時電源不經由電壓調節器輸出,僅需將電壓調節器的跳線(S1,參見附件圖A-1)移除,即可直接由兩枚1.5V三號或四號電池供電。

(2)   溫濕度感測器:監測器採用瑞士Sensirion SHT75數位式溫濕度感測器,尺寸僅3.7×3.1×13.5(mm),此感測器可同時擷取溫度與濕度,於常溫常濕狀況下具備14bit(溫度)與12bit(溼度)解析度,以及±0.3oC±1.8%RH之量測準確度。

(3)   單晶片處理器:監測器採用PIC18LF6722(Microchip Co.)單晶片處理器,以其B1B2數位腳位連接溫濕度感測器,以此兩腳位的電位(SCK, DATA)時序下達指令,感測器量測數值直接以數位訊號輸出,再由單晶片處理器擷取溫濕度數值,數值經過偏差修正後轉換成ASCII碼,透過單晶片處理器的第二組RS-232通訊埠與ZigBee無線模組連結,以無線方式送出溫濕度之ASCII碼。

(4)   ZigBee無線模組:監測器採用XBee Series 2(Digi International)無線模組,使用2.4GHz頻帶,最大傳輸率250kbps,最大點對點無線傳輸距離為120m/40m(室外/室內),並支援多種無線感測器網路架構(WSN topology);模組亦可連接天線(SMA接頭)。

為達到節電功能,本裝置使用一個計時器(MAX6369, MAXIM)進行程序控制。MAX6369為一個「看門狗計時器(watchdog timer, WDT)」,該計時器提供3個腳位可供邏輯控制,可由使用者設定不同的延遲時間參數(timeout period, tWD)。當單晶片微處理器接收到溫溼度感測器的資料後,單晶片微處理器便將資料暫存並進入休眠模式(sleep mode),此時單晶片處理器停止輸出PWM訊號(RA4腳位);當計時器偵測到單晶片處理器沒有週期變化,且期間持續超過設定的延遲時間參數時,計時器將由其WDO腳位輸出低電位(0V)訊號,觸發單晶片處理器(RB0腳位)離開休眠模式,繼續執行中斷後之程序。表1彙整說明單晶片處理器與周邊元件所使用的腳位。

1. 單晶片處理器與周邊元件腳位連接

Components/ports

PIN

Description

SHT75

RB1

SCK

RB2

DATA

KC7783*

RB5

DI*預留連接埠)

WDT

RB0

WDO

RA4

WDI

XBee

RG1

TX2

RG2

RX2

RESET

MCLR

RESET

A4 開關

RA4

A4 LED

ICD

RB6

MPLAB ICD2/3連結

RB7

MCLR

RS-232

RC6

TX1

RC7

RX1

2.     單晶片程式

監測器執行程序如圖3流程圖所示。裝置啟動後首先擷取溫濕度感測器的資料並暫存,接著將判斷是否為異常的溫溼度狀態(如數值過高/低),若判斷為異常數值,隨即啟動ZigBee無線模組,使其離開初始的休眠狀態並傳送該筆數據至分散式資料伺服器,傳送後再令ZigBee無線模組進入休眠模式。若感測資料為非異常狀態,單晶片處理器將進入休眠狀態,計時器於達到延遲時間(60秒)後觸發單晶片處理器,使單晶片處理器離開休眠模式,再行溫濕度資料擷取的反覆程序。當暫存數據累計達10筆時,裝置將傳送此10筆溫濕度數據的平均值。單晶片程式如附錄B

3. 監測器程序執行流程圖

3.     整體性能測試

本節敘述無線環境溫濕度監測裝置之整體性能測試,包括耗電量測試及無線傳輸品質測試兩部分。

3.1 耗電量測試

本測試有兩個目的,一是比較電源為3V(電池)和5V(插電)時耗電量的差異,第二則是估計以1.5V AA電池2顆在不同發射功率下的持續時間。

如表2所示,耗電量測試中感測器之單晶片和ZigBee無線模組之工作狀態共有四個組合:

Ÿ    第一階段:單晶片進入一般工作狀態,ZigBee無線模組進入休眠狀態,此狀態持續5秒,量測其耗電流;

Ÿ    第二階段ZigBee無線模組離開休眠狀態,單晶片狀態維持不變,此狀態同樣持續5秒,量測其耗電流;

Ÿ    第三階段:ZigBee無線模組開始發送資料,單晶片狀態維持不變,此狀態同樣持續5秒,並調整高功率、中功率、低功率分別量測耗電流;

Ÿ    第四階段:ZigBee無線模組與單晶片均進入休眠狀態,量測其耗電流。

以上四個步驟均以程式寫入感測器之單晶片中。測試過程中使用電源供應器測量耗電流量,每個階段均取其5秒末之耗電流讀數,並重複5次實驗取5個數據的平均值,四捨五入至mA

2. 耗電量測試

電壓

單晶片處理器狀態

ZigBee無線模組

耗電流(mA)

5V

休眠

休眠

9

啟動

休眠

27

啟動

啟動

37

啟動

傳送資料(高功率)

46

啟動

傳送資料(中功率)

43

啟動

傳送資料(低功率)

41

3V

休眠

休眠

<1

啟動

休眠

15

啟動

啟動

24

啟動

傳送資料(高功率)

32

啟動

傳送資料(中功率)

28

啟動

傳送資料(低功率)

26

由表2數據可以得到以下初步結論:

Ÿ    在同樣工作狀態下,電源為5V(插電)時耗電流較電源為3V(電池)時高出10~15mA

Ÿ    ZigBee無線模組在高功率、中功率、低功率發射時耗電流差異不大,約在2~4mA

本感測器實際使用之工作狀態以10分鐘為一循環,前9分鐘每分鐘量測一次溫濕度,為時2秒,此時單晶片處理器為啟動狀態、ZigBee無線模組為休眠狀態(狀態一);另外58秒單晶片處理器與ZigBee無線模組均為休眠狀態(狀態二)。第10分鐘量測一次溫濕度,為時2秒(狀態一),54秒單晶片處理器與ZigBee無線模組均為休眠狀態(狀態二),另外4秒單晶片處理器啟動,ZigBee無線模組傳送資料(狀態三)。

10分鐘循環中,狀態一持續時間共20秒,由表2中耗電流為15mA,總耗電量為狀態二持續時間為576秒,由各元件規格查得耗電流為狀態三持續時間為4秒,由表2中低功率耗電流為26mA,總耗電量為,總計每10分鐘循環耗電量為424.9mAs

一般標準的乾電池(1.5V AA電池2顆)電量為660,即2,376,000,可提供感測器2,376,000/424.9=5591.8個循環用電,一天共有144個循環,故1.5V AA電池2顆在低功率發射下持續時間約為38.83天。依同樣方式計算1.5V AA電池2顆在中功率發射下持續時間約為38.11天、高功持續時間約為36.76天。

如將感測器溫度量測時間由原本的2秒調整為1秒、發射時間由原本的4秒調整為2秒,可得1.5V AA電池2顆在低功率發射下持續時間約為74.02天,中功率發射下持續時間約為72.72天,高功率發射下持續時間約為70.24天。

3.2 無線傳輸品質測試

本測試有兩個目的,一是了解ZigBee無線模組傳輸穩定度,第二則是估計ZigBee無線模組可傳送到分散式資料伺服器最大之距離。

本實驗採用一台感測器以及一台分散式資料伺服器,實驗地點於元智大學圖書館,為一無隔間之開放空間,但放置許多高度約2m的書櫃。如表3所示,在電壓3V1.5V AA電池2顆),單晶片微處理器狀態啟動,ZigBee無線模組分別於低功率、高功率狀態時,感測器每3秒傳送一次數據至分散式資料伺服器,總共傳送100次,計算ZigBee無線模組在不同傳輸距離下,分散式資料伺服器接收成功率。

3. 無線模組在不同傳輸距離下,分散式資料伺服器接收成功率

ZigBee無線模組

書櫃(個)

傳輸距離(m)

接收率(%)

低功率

16

14.3

100

18

16.4

100

21

20.0

100

22

25.0

100

23

26.9

94

高功率

22

25.0

100

23

26.9

100

24

28.6

100

25

30.4

100

26

32.2

93

由表3數據可以得到以下初步結論:

Ÿ    本實驗中ZigBee無線模組於低功率時,距離於25m以內(至多有22個書櫃障礙物),接收率皆為100%。

Ÿ    本實驗中ZigBee無線模組於高功率時,距離於30.4m以內(至多有25個書櫃障礙物),接收率皆為100%,故最大傳輸距離為30.4m

 

A-1. 無線溫濕度監測器電路圖

 

A-2 無線溫濕度監測器電路板佈置(PCB layout)