摘 要：隨著人們對生活環(huán)境質(zhì)量的重視程度的不斷提高，從而使得各種類型的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)也在不斷的增多。常見的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大多數(shù)采用的是RS-485、以太網(wǎng)、GPRS等方式進行通訊。上述方式往往存在著布線困難、費用高等特點，從而不易大面積的推廣。本文設(shè)計的基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有免授權(quán)頻段、低功耗、耗資少、安全性高、靈活性強等優(yōu)點。能夠滿足大多數(shù)場合的環(huán)境監(jiān)控需求，達到了預期的設(shè)計目的。

關(guān)鍵詞：ZigBee；短距離無線通信；無線數(shù)據(jù)傳輸

ZigBee是目前一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是IEEE無線個人局域網(wǎng)工作組的一項標準，也被稱為是IEEE802.15.4技術(shù)標準。ZigBee的協(xié)議棧非常簡單，只需要4KBROM、8位的處理器、64KB的RAM就能夠滿足最低的要求。ZigBee協(xié)議棧是通過數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、物理層以及匯聚層等組成。IEEE對其物理層以及數(shù)據(jù)的鏈路層進行了制定。ZigBee則對應用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層以及高層應用規(guī)范進行了相應的定義。一個基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通常具有成本低廉、功耗低、低速率、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高、安全性高、自組網(wǎng)靈活等諸多的優(yōu)點，所以ZigBee在很場合都得到了廣泛的應用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成部分是由管理控制中心以及網(wǎng)關(guān)節(jié)點構(gòu)成。在所要檢測的范圍內(nèi)，傳感器的節(jié)點被任意的分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。若干個傳感器的節(jié)點與一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點構(gòu)成了一個監(jiān)測子網(wǎng)[1]。網(wǎng)關(guān)的節(jié)點通過使用ZigBee協(xié)議完成了與各個節(jié)點進行通訊。而管理控制中心只需要安裝一臺具有固定IP地址的服務器，該服務器的主要任務就是各個網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間進行數(shù)據(jù)的傳輸與信息交互。而這些信息都被保存在數(shù)據(jù)庫中，用戶能夠非常方便的實時查看系統(tǒng)的運行情況，能夠?qū)?shù)據(jù)的采集情況進行有效的分析、與統(tǒng)計，同時也能夠通過系統(tǒng)向傳感器發(fā)送指令。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 zigbee無線傳輸模塊設(shè)計

本文所描述的監(jiān)測對象是環(huán)境，由于其對象本身的自然環(huán)境具有氣候復雜、面積廣泛等特點。本文所描述的線數(shù)據(jù)傳輸模塊的硬件工作原理如圖2-1所示：

硬件設(shè)計大致可以劃分為4部份，他們分別為JTAG電路、電源電路、和串口轉(zhuǎn)換電路以及無線收發(fā)電路。本文設(shè)計了串口轉(zhuǎn)換電路，能夠方便、快捷的完成RS232串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換任務。此外，還可以完成PC機與無線模塊之間的數(shù)據(jù)通訊的任務。無線收發(fā)電路是本次設(shè)計內(nèi)容的重點部分，而JTAG電路的主要的任務就是完成對CC2430的測試以及編程的任務[2]。

2.2 zigbee無線傳輸模塊設(shè)計

本文在無線通信模塊設(shè)計過程里，使用了CC2430射頻芯片。其中對無線收發(fā)模塊的設(shè)計是由CC2430芯片以及外圍電路構(gòu)成，使用CC2430芯片能夠于少量的外部元器件連接就能夠?qū)崿F(xiàn)信號的收發(fā)的功能。為了能夠?qū)崿F(xiàn)計算機與各個節(jié)點之間的通訊，本文設(shè)計了了RS232電平轉(zhuǎn)換電路，各個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)能夠自動的上傳到相關(guān)的監(jiān)控設(shè)備，同時監(jiān)控設(shè)備也可以使用串口來發(fā)送具體的操作命令到各個的節(jié)點。在一般的情況下，節(jié)點與PC機是通過RS232或者是RS485來進行通訊的，RS485在通信距離以及速度上優(yōu)于RS232，但是RS232簡單實用，所以本文選擇了RS232 作為電平轉(zhuǎn)換電路。

3 軟件設(shè)計

3.1 管理控制中心軟件設(shè)計

管理控制中心監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，其主要的功能就是完成對整個監(jiān)測系統(tǒng)的管理與控制。管理控制中心軟件采用當今最為流行的JAVA語言進行開發(fā)，服務器上安裝了LINIX操作系統(tǒng)。采用Tomcat提供對外的網(wǎng)絡(luò)服務?？刂浦行呐c網(wǎng)關(guān)節(jié)點使用TCP/IP協(xié)議完成通信，系統(tǒng)的使用這就可以通過本地瀏覽器完成傳感器的管理、系統(tǒng)的監(jiān)控以及數(shù)據(jù)信息的分析。軟件架構(gòu)如圖2-2所示：

3.2 串口發(fā)送程序流程設(shè)計

本文軟件設(shè)計主要分為兩部分，第一部分向PC機發(fā)送數(shù)據(jù)的過程是通過CC2430異步串行接口完成的。而剩下的部分則是使用串口接收數(shù)據(jù)，來完成對數(shù)據(jù)處理過程，最后將處理結(jié)果返還給PC機。發(fā)送子程序和發(fā)送主程序的流程如圖3-1所示：

串口發(fā)送子程先對數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢進行判斷，如果沒有完成就繼續(xù)要求發(fā)送數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)的發(fā)送過程中，首先將數(shù)據(jù)送入串口0的數(shù)據(jù)收發(fā)緩沖器，這時發(fā)送函數(shù)做了個等待中斷標志的處理，當中斷產(chǎn)生了，此時也就意味著U0DBUF里的數(shù)據(jù)已經(jīng)被發(fā)送完畢。只有這個過程完畢后，數(shù)據(jù)才能夠繼續(xù)發(fā)送。需要強調(diào)的是，在發(fā)送主程序過程中，先是調(diào)用發(fā)送函數(shù)發(fā)送了一個字符串，接著在將已發(fā)送的數(shù)據(jù)進行清除后，才能夠在重新發(fā)送一個字符串，然后在做延時處理，接著就循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到所有的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢[3]。

3.3 溫濕度傳感器模塊設(shè)計

本文設(shè)計的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要是對大氣的溫度，濕度和壓力進行采集、分析與統(tǒng)計。本文的傳感器選擇的是博臣科技有限公司最新推出的CHTM-02系列的溫濕度傳感器[4]。該傳感器的特點如下：

⑴敏感元件：高分子濕敏電阻和NTC熱敏電阻。

⑵耗電電流：5mA。

⑶工作方式：濕度在10%到95%RH，溫度范圍在0-70℃。

⑷輸出電壓：CHTM-02/A為0到3V，CHTM-02/B為1到3V，CHTM-02/C為0到1V。

⑸溫度系數(shù)：0.4%RH/℃。

該模塊主要是由濕敏元件、熱敏元件、電位器和輸出端口組成。其中濕敏元件是一個濕敏電阻，通過該電阻就能夠吸收所在環(huán)境中空氣的水分來改變其電阻大小。本文所描述的熱敏元件使用的是一個NTC熱敏電阻，其電阻值隨著溫度的上升電阻值減小，此外還能夠使用集成的溫度傳感器，具體的焊接位置能夠在電路板上進行預留。點位器的功能就是負責來調(diào)節(jié)電壓的大小，輸出端口和四根導線相連，紅色與黑色的線分別代表的是電源+5V和GND，黃色與綠色分別是濕度和溫度輸出。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有功耗低、價格低廉、安全性、可靠性高等諸多的優(yōu)點，能夠滿足復雜場所對環(huán)境的監(jiān)控要求。解決了大氣環(huán)境數(shù)據(jù)實時采集、遠距離傳輸?shù)葐栴}，只要對該系統(tǒng)進行簡單的改動就能夠方便的應用在其它的環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。

[參考文獻]

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[2]DAVIDGeer.UsersmakeabeelineforZigBeesensortechnology[J].Computer.2008，（8）：789-799.

[3]原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應用研究[J].計算機應用與軟件.2013，（6）：89-91.

[4]馬忠梅，劉濱，戚軍，馬巖.單片機C語言Windows環(huán)境編程寶典[M].北京：北京航空航天大學出版社.2012.