張曉桃，曾春平，馬 琨，葉 飛

(昆明理工大學(xué) 理學(xué)院，云南 昆明 650500)

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基于ZigBee無線傳感的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

張曉桃，曾春平，馬 琨，葉 飛

(昆明理工大學(xué) 理學(xué)院，云南 昆明 650500)

基于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植、工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境氣候監(jiān)測信息化發(fā)展的需求，設(shè)計了一種基于ZigBee無線傳感的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。從系統(tǒng)架構(gòu)、硬件和軟件等3個方面進行思考和設(shè)計，成功建立了ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有3種：星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和簇狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。該設(shè)計采用的是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時采用TI公司的低功耗射頻芯片CC2530作為通信模塊，實現(xiàn)了對溫濕度的實時監(jiān)測。與傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)布線簡單，成本低，精確度高，擴展性好。

ZigBee；無線傳感；CC2530；溫濕度監(jiān)測；實時監(jiān)測

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植、工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境氣候監(jiān)測和人們的工作生活中，周圍環(huán)境的溫度和濕度是眾多應(yīng)用場合的重要指標參數(shù)，溫度和濕度過高或過低都會影響正常的生活以及產(chǎn)品的良好性能。要時刻關(guān)注環(huán)境變化，就應(yīng)對環(huán)境溫度和濕度進行監(jiān)測，因此研究可靠實用的監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的方式是采用RS485或CAN總線等有限方式傳輸數(shù)據(jù)，其布線復(fù)雜，容易受雷擊老化，這些都影響了設(shè)備的可靠性，并且設(shè)備不能隨意移動位置[1]；而無線網(wǎng)絡(luò)傳感器具有攜帶方便和耗能低等優(yōu)良特性，因此受到人們普遍歡迎[2]。

當(dāng)前比較常用的具有短距離無線網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的技術(shù)有6種，分別為超寬帶通信(UWB)、無線局域網(wǎng)絡(luò)(WiFi)、近場通信(NFC)、藍牙(Bluetooth)、紅外IrDA和ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)以其低功耗、高速率和短延時等各種優(yōu)點在WSN中有著廣泛的市場應(yīng)用前景，是最有可能應(yīng)用在傳感器網(wǎng)絡(luò)、溫室大棚、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療設(shè)備和軍事系統(tǒng)等各領(lǐng)域的無線技術(shù)[3]。本文設(shè)計一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多點溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，主要由上位機、協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點設(shè)備組成(見圖1)。其中，路由器和終端節(jié)點把溫濕度傳感器測得的數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過RS232串口，將無線傳感網(wǎng)內(nèi)節(jié)點的感知數(shù)據(jù)實時上傳給上位機，同時接受并轉(zhuǎn)發(fā)上位機發(fā)送的控制數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的核心，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的搭建以及監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的正常運行，協(xié)調(diào)器與路由器以及終端節(jié)點采用自組織的方式組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立過程中，首先，由協(xié)調(diào)器初始化網(wǎng)絡(luò)，初始化完成后，開始掃描信道，進行能量檢測，選擇信道以及合適的PAN ID，成功之后就廣播網(wǎng)絡(luò)ID、信道，ZigBee網(wǎng)絡(luò)就建立了；然后，協(xié)調(diào)器進入監(jiān)聽狀態(tài)等待子節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求信號，收到入網(wǎng)請求后，協(xié)調(diào)器允許子節(jié)點入網(wǎng)并分配網(wǎng)絡(luò)短地址給子節(jié)點，這就實現(xiàn)了子節(jié)點的入網(wǎng)功能；最后，協(xié)調(diào)器收到來自子節(jié)點的數(shù)據(jù)請求后，將接受數(shù)據(jù)并通過串口傳輸給上位機，這就是數(shù)據(jù)的收發(fā)功能[4]。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)核心芯片

在硬件電路中，考慮到低功耗要求，選擇芯片CC2530。CC2530是TI公司以C51內(nèi)核的ZigBee芯片，它支持國際802.15.4標準以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE標準，它能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其具有低功耗、低成本、低速率、短時延、高容量和高安全等特點。該芯片最大傳輸距離是100 m，在增加RF發(fā)射功率后，傳輸距離可達1～3 km[5]。CC2530芯片集成了2.4 GHz的射頻收發(fā)器、增強型工業(yè)標準的8051 MCU、最大256 kB可編程FLASH和8kB的RAM，并提供有一套廣泛的外設(shè)(包括2個USART、12位ADC和21個通用GPIO)[6]。

射頻電路模塊FB2530是TI公司的第2代片上系統(tǒng)解決方案CC2530 F256的全功能模塊，集射頻收發(fā)及MCU控制功能于一體。其外圍原件包含1顆32 MHz晶振和4顆32.768 kHz晶振及其他一些阻容器件，它是整個節(jié)點的核心，負責(zé)傳感器的驅(qū)動和數(shù)據(jù)的傳輸工作。其內(nèi)部已經(jīng)集成了大量的電路，只需要很少的外圍電路即可實現(xiàn)功能。射頻電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2 協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的核心，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的搭建以及監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的正常運行，協(xié)調(diào)器與路由器以及終端節(jié)點采用自組織的方式組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，主要由紅外遙控信號收發(fā)模塊、五相按鍵及指示燈模塊、LED顯示模塊、RS232接口模塊和電源/電池模塊構(gòu)成(見圖3)。

2.2.1 紅外遙控信號收發(fā)模塊

該模塊的信號輸入由U2及其他一些阻容件完成，IR信號經(jīng)解調(diào)去載波后輸入射頻控制模塊FB2530RF。紅外遙控信號的輸出由射頻控制模塊FB2530RF直接驅(qū)動紅外發(fā)射二極管D9完成發(fā)射。

2.2.2 五相按鍵及指示燈模塊

該模塊由1個五相按鍵、4顆輕觸按鍵和6個LED指示燈組成。五相按鍵通過KEY_MOVE、KEY_LEVEL來描述按鍵動作，當(dāng)按鍵朝任何方向移動或被按下時，KEY_MOVE為高電平，按鍵方向通過信號KEY_LEVEL的值來描述。

2.2.3 LED顯示模塊

該液晶顯示模塊提供串口和并口等2種接口，串口的液晶顯示模塊放置于P15的奇數(shù)腳側(cè)，并口的液晶顯示模塊放置于P15的偶數(shù)腳側(cè)。

圖2 射頻電路結(jié)構(gòu)框圖

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2.4 RS232接口模塊

該模塊通過RS232串口與其他外設(shè)進行通信，電路上采用U11進行RS232轉(zhuǎn)換，另外又單獨設(shè)置了1個開關(guān)用于管理U11的啟動和關(guān)閉。

2.2.5 電源/電池模塊

該FB2530EB開發(fā)板可以通過電源供電，F(xiàn)B2530帶有1個DC 5 V的電源適配器接口P7，輸入電壓經(jīng)過LDO U8降壓為+3.3 V穩(wěn)定的直流電壓輸出供后極使用；也可以通過2節(jié)5號干電池供電，輸出電壓為1.7～3 V，板載電源電路將其調(diào)整到+3.3 V穩(wěn)定的直流電壓輸出供后極使用。

2.3 終端節(jié)點以及路由器模塊

終端節(jié)點主要負責(zé)數(shù)據(jù)的采集，并且把采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，另外，路由器和終端節(jié)點的模塊構(gòu)成相同，也能采集溫濕度數(shù)據(jù)，主要由紅外遙控信號收發(fā)模塊、五相按鍵及指示燈模塊、LED顯示模塊、溫濕度傳感模塊和電源/電池模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點以及路由器模塊結(jié)構(gòu)圖

溫濕度傳感模塊采用的是飛比科技有限公司的溫濕度傳感板，型號為Fk3207T11，可同時實現(xiàn)環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)的采集。其溫度采集精度可達±0.5 ℃，濕度精度可達±3.5%RH。其采用雙向兩線串行數(shù)據(jù)接口與CC2530-ZigBee模塊進行通信，大大節(jié)省了系統(tǒng)資源，簡化了其采集系統(tǒng)的設(shè)計。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)概述

軟件設(shè)計包括協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計、路由器節(jié)點軟件設(shè)計和終端節(jié)點軟件設(shè)計，本系統(tǒng)采用TI公司CC2530提供支持的免費ZigBee協(xié)議棧，采用C作為編程語言，在Z-Stack通用模板的基礎(chǔ)上，通過調(diào)用API來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計[7]。本文在Z-Stack的基礎(chǔ)上，利用已有的軟件架構(gòu)，開發(fā)了基于ZigBee無線傳感的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。

3.2 ZigBee無線組網(wǎng)模塊

在Z-Stack協(xié)議棧中，協(xié)調(diào)器在上電啟動后，會調(diào)用ZDOInitDevice初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，然后調(diào)用ZDApp_NetworkInit來初始化網(wǎng)絡(luò)，觸發(fā)ZDAppTaskID的ZDO_NETWORK_INIT事件。系統(tǒng)在輪詢時會發(fā)現(xiàn)ZigBee設(shè)備應(yīng)用層任務(wù)有事件需要處理時，將調(diào)用ZDApp_event_loop事件處理函數(shù)。在這個函數(shù)里，系統(tǒng)會調(diào)用ZDO StartDevice來啟動創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)的過程，然后調(diào)用NLME_NetworkFormationRequest請求網(wǎng)絡(luò)層啟動新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果將通過ZDO NetworkFormationConfirmCB返回給ZDO層。如果新網(wǎng)絡(luò)建立成功，則會觸發(fā)ZDAppTaskID的ZDO_NETWORK_START事件，這個事件將在ZDApp_event_loop事件處理函數(shù)里得到處理。

4 測試結(jié)果

本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，共有4個節(jié)點：1個協(xié)調(diào)器、1個路由器和2個終端節(jié)點設(shè)備。其中，路由器和終端節(jié)點設(shè)備都能監(jiān)測到溫濕度數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳遞給協(xié)調(diào)器，設(shè)置串口為COM3，打開軟件就能自動顯示出節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖。節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。圖5中，深色球表示協(xié)調(diào)器，淺色球表示路由器，無色球表示終端節(jié)點。

圖5 節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

協(xié)調(diào)器通過串口RS232把接收到的溫濕度數(shù)據(jù)傳遞給上位機，上位機上就會顯示監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據(jù)，每個節(jié)點的地址以及它們相應(yīng)的父節(jié)點的地址。溫濕度數(shù)據(jù)顯示結(jié)果見表1。

表1 溫濕度數(shù)據(jù)顯示結(jié)果

5 結(jié)語

本文構(gòu)建了一種基于ZigBee技術(shù)的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)對協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點以及終端節(jié)點設(shè)備的軟硬件做了詳細說明，采用CC2530作為無線采集模塊，采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進行組網(wǎng)，通過運行系統(tǒng)進行測試，同時能夠顯示出系統(tǒng)節(jié)點的結(jié)構(gòu)圖以及實時采集溫濕度數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的傳感器采集數(shù)據(jù)相比，本系統(tǒng)靈敏度高，成本低，功耗小，值得普遍推廣。

[1] 姜仲,劉丹.ZigBee技術(shù)與實訓(xùn)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

[2] 周鋮，王志軍.智能網(wǎng)關(guān)中基于UPnP的數(shù)字媒體服務(wù)技術(shù)的研究與實現(xiàn)[J]. 新技術(shù)新工藝，2015(1)：29-31.

[3] 高守瑋,吳燦陽.ZigBee技術(shù)實踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)，2009.

[4] 李艷華.基于ZigBee的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].山東：山東師范大學(xué)，2013.

[5] 何蘊良,耿淑琴,汪金輝.基于ZigBee無線傳感的空氣溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2015(18):133-136,140.

[6] 徐建,楊珊珊.基于CC2530的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012(5)：55-57.

[7] 包啟明,陳益民,蘇保蘭.基于ZigBee和3G的遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2014,22(10):3171-3173.

* 國家自然科學(xué)基金資助項目(51278235) 云南省教育廳重大項目(KKJI201507001) 昆明理工大學(xué)校級學(xué)科平臺資助項目(14078202)

責(zé)任編輯 鄭練

Design of Temperature and Humidity Monitoring System based on ZigBee Wireless Sensing

ZHANG Xiaotao, ZENG Chunping, MA Kun, YE Fei

(Faculty of Science, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

Based on the need of modern farming, industrial production, environment and climate monitoring development of information technology, design a temperature and humidity monitoring system based on ZigBee. Three aspects including system architecture, hardware and software are considered in the process of the system design, and ZigBee wireless sensing network is built successfully. There are three kinds of the ZigBee network topology: star network topology structure, mesh network topology structure, and clusters of network topology. The design adopted the mesh network topology is a stable structure, and the CC2530 chip which integrates the low power consumption achieves the real-time monitoring of temperature and humidity as communication module. Compared with the traditional finite network monitoring system, ZigBee wireless sensing network has advantage of simple wiring, low cost, high precision, good expansibility and so on.

ZigBee, wireless monitoring, CC2530, temperature and humidity monitoring, real-time monitoring

S 126；TP 273

A

張曉桃(1993-)，女，碩士研究生，主要從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)等方面的研究。

曾春平

2016-06-03