柴世龍 劉 毅 張振虎

（沈陽建筑大學信息與控制工程學院，遼寧 沈陽110168）

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展，與此相關(guān)的一些技術(shù)如RFID、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也得到了快速的發(fā)展。與此同時，各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標準也日漸規(guī)范化，其中得到廣泛應用和推廣的一種協(xié)議就是ZigBee 2007協(xié)議[1]。其中ZigBee作為一種低復雜度、低功耗、低成本的低速率無線連接技術(shù)越來越被人們所重視[2]，如利用ZigBee技術(shù)開發(fā)的智能家居系統(tǒng)[3]、智能公交系統(tǒng)[4]、安防系統(tǒng)[5]、電子門鎖[6]、智能牧場[7]等已成為業(yè)內(nèi)的熱點。本文依據(jù)ZigBee的相關(guān)特點設(shè)計了一種對環(huán)境溫濕度進行實時監(jiān)測的系統(tǒng)。

1 ZigBee技術(shù)的簡介

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽谩?/p>

總體而言，ZigBee技術(shù)具有如下特點：

（1）高可靠性

ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee規(guī)范時已經(jīng)考慮到這種數(shù)據(jù)傳輸過程中的內(nèi)在的不確定性，采取了一些措施來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕饕ǎ何锢韺蛹嫒莞呖煽康亩叹嚯x無線通信協(xié)議IEEE 802.11.5同時使用OQPSK和DASS技術(shù)；使用CSMA—CA技術(shù)來解決數(shù)據(jù)沖突問題；使用16-bits CRC來確保數(shù)據(jù)的正確性；使用帶應答的數(shù)據(jù)傳輸方式來確保數(shù)據(jù)正確的傳輸目的地址；采用星型網(wǎng)絡(luò)盡量保證數(shù)據(jù)可以沿著不同的傳輸路徑從源地址到達目的地址。

（2）低成本、低功耗

ZigBee技術(shù)可以應用8-bit MCU，目前TI公司推出的兼容ZigBee 2007協(xié)議的SOC芯片CC2530每片價格在20-35元，外接幾個阻容器構(gòu)成的濾波電路和PCB天線即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的構(gòu)建。

（3）高安全性

ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

（4）時延短

通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms，活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制應用。

2 溫濕度采集系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

2.1 溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計框架圖

協(xié)調(diào)器建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點自動加入該網(wǎng)絡(luò)中，然后終端節(jié)點周期性的采集溫濕度數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到溫濕度數(shù)據(jù)，通過RS232串口將其輸出到用戶PC機。系統(tǒng)設(shè)計原理圖如圖1：

圖1 系統(tǒng)設(shè)計原理圖

2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

針對不同的應用，傳感器節(jié)點的組成也不盡相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)是一樣的。主要包括采集單元、處理單元、傳輸單元、電源單元等4大部分組成,傳感器節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)如圖2：

圖2 傳感器節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)

3 溫濕度采集系統(tǒng)的節(jié)點設(shè)計

3.1 協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計

協(xié)調(diào)器的任務主要是組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)、允許終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)、綁定終端節(jié)點、將溫濕度數(shù)據(jù)傳給PC機。協(xié)調(diào)器加電后，首先搜索信道，選定信道后將完成初始化和建立網(wǎng)絡(luò)的任務，包括PAN ID的設(shè)定、協(xié)調(diào)器地址的設(shè)定和其他一些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)定。當有節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，如果其發(fā)送的信息都正確，協(xié)調(diào)器將允許其加入網(wǎng)絡(luò)，并分配給節(jié)點一個16位的短地址和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。如果協(xié)調(diào)器收到了節(jié)點的綁定請求，協(xié)調(diào)器要響應節(jié)點的綁定請求。對接收到的數(shù)據(jù)，在接收數(shù)據(jù)的同時，協(xié)調(diào)器還要通過通訊串口RS232將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機，來檢測測量的結(jié)果是否符合設(shè)計要求。協(xié)調(diào)器的程序流程圖如圖3：

圖3 協(xié)調(diào)器的程序流程圖

3.2 終端節(jié)點的程序設(shè)計

終端節(jié)點的主要任務是進行加入網(wǎng)絡(luò)、請求綁定、數(shù)據(jù)測量以及發(fā)送數(shù)據(jù)。

終端節(jié)點加電后，首先進行系統(tǒng)硬件初始化，包括微處理器初始化和CC2530初始化。通過一系列的初始化，完成節(jié)點的參數(shù)設(shè)置、寄存器設(shè)置以及工作模式的設(shè)置。初始化完成之后，終端節(jié)點搜索網(wǎng)絡(luò)并發(fā)出請求加入信息，在接到協(xié)調(diào)器的允許加入網(wǎng)絡(luò)信息后，按下綁定的按鍵，向協(xié)調(diào)器發(fā)送綁定請求。綁定的目的是讓終端節(jié)點的地址信息出現(xiàn)在協(xié)調(diào)器的綁定表中，從而使終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)起來，最后進入事件循環(huán)模式，節(jié)點定時查詢有無事件發(fā)生，時間循環(huán)分為硬件、網(wǎng)絡(luò)層、接入層、應用層等，均要查詢各自的事件。本文的終端節(jié)點的事件主要是對定時器的設(shè)置，每隔一段時間要啟動定時器，進行溫濕度數(shù)據(jù)的采集，并把數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包格式發(fā)送出去。在沒有事情發(fā)生的情況下，系統(tǒng)進入低耗模式。終端節(jié)點的程序流程圖如圖4：

圖4 終端節(jié)點的程序流程圖

4 溫濕度采集系統(tǒng)的測試

4.1 實驗平臺的組建

硬件平臺：PC機一臺、4個終端節(jié)點、1個協(xié)調(diào)器。

軟件平臺：IAR軟件集成開發(fā)環(huán)境、ZigBee協(xié)議棧。

協(xié)調(diào)器采用持續(xù)電源供電，終端節(jié)點采用電池供電。以實驗環(huán)境為背景，終端節(jié)點只與協(xié)調(diào)器通信。在PC機上安裝IAR軟件開發(fā)平臺，通過仿真接口JATG將程序下載到CC2530中，協(xié)調(diào)器通過串口與PC機相連，把終端節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機

4.2 數(shù)據(jù)傳輸及顯示測試結(jié)果

在終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器建立綁定關(guān)系后，終端節(jié)點會啟動溫濕度采集程序，終端節(jié)點周期性的采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送給PC機，在PC機上顯示出來。PC機上顯示的結(jié)果如圖

5：圖5 顯示的結(jié)果

結(jié)果顯示，終端節(jié)點可以周期性的采集數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，在PC上顯示出檢測結(jié)果。

5 結(jié)論

本文基于新型低功率、低成本的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出分布式溫濕度檢測系統(tǒng)的方法。該方法采用溫濕度復合傳感器芯片DHT11作為溫濕度數(shù)據(jù)采集單元，采用符合ZigBee標準的CC2530射頻芯片作為數(shù)據(jù)傳送單元，實現(xiàn)了對環(huán)境溫濕度的無線監(jiān)測功能。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效的采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，周期性的在PC上顯示出監(jiān)測結(jié)果。

［1］ZigBee Alliance,ZigBee Specification Document 053474r17[S].2008.

［2］王小強.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)[M].北京：化學工業(yè)出版社,2012：1-75.

［3］南忠良,孫國新.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2010,7.

［4］楊光,張萬江.基于GPRS/GPS/GIS/Zigbee的智能公交系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應用,2011,30(18)：89-91.

［5］劉敏,單志勇.基于ZigBee的小區(qū)無線安防系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2012,35(11)：28-31.

［6］Il-Kyu Hwang,Jin-Wook Baek.Wireless Access Monitoring and Control System based on Digital Door Lock[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2007,53(4)：1724-1730.

［7］Nadimi,E.S,Sgaard,H.T,Bak,T,Oudshoorn,F.W.ZigBee-based wireless sensor networks for monitoring animal presence and pasture time in a strip of new grass[J].computers and electronics in agriculture,2008,61(2)：79-87.