羅回彬，吳 方

（北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院 計算機(jī)學(xué)院，廣東 珠海 519000）

基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的研究與設(shè)計

羅回彬，吳 方

（北京理工大學(xué) 珠海學(xué)院 計算機(jī)學(xué)院，廣東 珠海 519000）

為了更好地實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測，提出了一種基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方案。該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)以ARM Cortex-A8為主控模塊，外接WiFi模塊和ZigBee協(xié)調(diào)器，采用ZigBee協(xié)議建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而且通過WiFi模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，使用簡單，可以快速地實(shí)現(xiàn)對外部環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于消防樓宇監(jiān)測、農(nóng)業(yè)灌溉、機(jī)床設(shè)備監(jiān)測等各個領(lǐng)域。

ZigBee；無線傳感器；網(wǎng)關(guān)；CC2530

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將是無線傳感網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)的重要樞紐。如何通過結(jié)合現(xiàn)有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)Internet和新興技術(shù)WiFi實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的管理、前端數(shù)據(jù)的采集，將成為今后物聯(lián)網(wǎng)感知和物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)闹匾芯空n題[1-7]。本項(xiàng)目主要通過構(gòu)建一個基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對不同領(lǐng)域數(shù)據(jù)的監(jiān)測、信息共享和遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

如圖1所示，系統(tǒng)由主控模塊ARM Cortex-A8、ZigBee協(xié)調(diào)器及基于CC2530的傳感器溫度傳感器節(jié)點(diǎn)、煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)、人體檢測傳感器節(jié)點(diǎn)等、WiFi模塊及手機(jī)移動設(shè)備組成。其中，各類終端傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器一起構(gòu)建基于ZigBee的移動傳感網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)由串口與主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而主控模塊通過WiFi與手機(jī)移動設(shè)備進(jìn)行通訊。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊

主控模塊選用32位的高性能微處理器ARM Cortex-A8，其包括基于 CortexTM-A8的Samsung S3PV210主芯片，以及大容量的DDR2 RAM內(nèi)存和NAND Flash存儲器，此外還有具有7寸800*480 LCD顯示屏、觸摸屏、USB、RS232標(biāo)準(zhǔn)串口等，能很好地滿足各類嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的開發(fā)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

2.2 Zigbee協(xié)調(diào)器

ZigBee協(xié)調(diào)器選用CC2530芯片，CC2530包括有增強(qiáng)型8051CPU、8 kb RAM、時鐘、電源管理和外設(shè)相關(guān)的模塊、以及RF收發(fā)器模塊，具有不同的運(yùn)行模式，且運(yùn)行模式可快速切換，是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的片上系統(tǒng)解決方案，可以低成本低功耗構(gòu)建大型網(wǎng)絡(luò)[8]。

2.3 WIFI模塊

本項(xiàng)目進(jìn)行WIFI模塊的電路設(shè)計，其工作電壓為直流3.3 V。如圖2所示，“Wifi_nRST”為WiFi模塊復(fù)位引腳，低電平時間大于300 ms復(fù)位；S4為恢復(fù)WiFi模塊出廠設(shè)置按鍵。此外，LED3 Red為WiFi模塊啟動狀態(tài)指示燈，正常啟動后“Wifi_nREADY”引腳輸出低電平，電路導(dǎo)通 啟動狀態(tài)指示燈點(diǎn)亮，反之，燈熄滅；LED4 Blue為WiFi模塊連接狀態(tài)指示燈，正常通訊時“Wifi_nLink”引腳輸出低電平，連接狀態(tài)指示燈點(diǎn)亮，反之，燈熄滅。

圖2 WiFi模塊電路圖

2.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

本項(xiàng)目中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要是由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸和傳感器節(jié)點(diǎn)組成。其中，傳感器模塊則采用了由溫度傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、人體檢測傳感器組成[9]。這四種傳感器采集的數(shù)據(jù)包括了溫度、溫濕度、煙霧、人體四種數(shù)據(jù)的采集，可以應(yīng)用與農(nóng)業(yè)、工業(yè)、消防、防盜等多個領(lǐng)域，因此可以按照實(shí)際需要，結(jié)合對應(yīng)的操作系統(tǒng)，可以用作于多領(lǐng)域的監(jiān)控系統(tǒng)。其中，溫度與溫濕度傳感器原理圖設(shè)計如圖3所示，DS18B20的數(shù)據(jù)輸出IO （引腳2）接上拉電阻后與CC2530的引腳P15連接，DHT11的DATA （J7的引腳2）接上拉電阻后與CC2530的引腳P07相連。

圖3 溫度與溫濕度傳感器原理圖

3 軟件設(shè)計

3.1 ZigBee組網(wǎng)流程圖

本項(xiàng)目以ZigBee組網(wǎng)為例進(jìn)行軟件設(shè)計開發(fā)。ZigBee組網(wǎng)流程圖，如圖4所示，ZigBee組網(wǎng)時各無線網(wǎng)絡(luò)傳感器的主要工作如下:

1）初始化傳感器節(jié)點(diǎn)模塊；

2）申請加入ZigBee協(xié)調(diào)器，進(jìn)行ZigBee無線組網(wǎng)；

3）CC2530通過各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

4）終端傳感器節(jié)點(diǎn)采集的各類數(shù)據(jù) （溫度、人體檢測、溫濕度、煙霧等）發(fā)送至協(xié)調(diào)器。

3.2 無線傳感器協(xié)議

根據(jù)不同的應(yīng)用場景及數(shù)據(jù)需求，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以接入不同傳感器類型，進(jìn)行各種環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測[10]。其中，傳感器狀態(tài)串口協(xié)議如表1所示，主要包括對不同傳感器進(jìn)行傳感器類型編號，以及對傳感器輸出數(shù)據(jù)的說明。例如，人體檢測傳感器，其傳感器類型編號0x07，輸出數(shù)據(jù)1表示檢測到區(qū)域內(nèi)有人，輸出數(shù)據(jù)0表示檢測區(qū)域內(nèi)無人。

圖4 ZigBee組網(wǎng)流程圖

表1 傳感器狀態(tài)協(xié)議

3.3 無線傳感器的編碼實(shí)現(xiàn)

如2.4小節(jié)所述，作者通過CC2530的I/O引腳與各傳感器（溫濕度傳感器、人體檢測、煙霧傳感器等）引腳相連，編寫相應(yīng)指令代碼獲取各傳感器的值，并發(fā)送給協(xié)調(diào)器。例如，獲取溫濕度傳感器DHT11的數(shù)據(jù)，并發(fā)送給協(xié)調(diào)器的部分代碼如下:

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 協(xié)議棧解析

如圖5所示，作者通過代碼編程得到的數(shù)據(jù)截圖，進(jìn)行一幀定長為26字節(jié)數(shù)據(jù)分析。作者可以通過對“傳感器類型”分析來判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)來源屬于哪個傳感器，然后再根據(jù)“節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)”解析得出當(dāng)前傳遞的采集數(shù)據(jù)信息。

圖中的圓框“07”代表人體檢測節(jié)點(diǎn)，“0a”代表溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)。人體檢測的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)主要代表當(dāng)前的檢測狀態(tài)（是否檢測到人），圖5中截取的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)代表沒有檢測到人，而溫濕度傳感器的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)代表當(dāng)前的溫度和濕度百分比。

圖5 協(xié)議棧數(shù)據(jù)截取

4.2 主程序界面

程序演示界面，主要利用QT的UI設(shè)計工具進(jìn)行登錄界面、主界面的設(shè)計，其主要代碼由html的標(biāo)簽完成。通過測試，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集及轉(zhuǎn)發(fā)，如圖6所示。

圖6 主程序界面

5 結(jié)束語

基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域眾多，不僅可以很好地應(yīng)用于家居生活，還可以廣泛地應(yīng)用于城市樓宇消防監(jiān)測、醫(yī)療健康養(yǎng)老監(jiān)測、農(nóng)業(yè)土壤監(jiān)測及灌溉、工業(yè)機(jī)床設(shè)備監(jiān)測等領(lǐng)域[11-15]，很好的實(shí)現(xiàn)表1所示的各類傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測、解析和轉(zhuǎn)發(fā)。

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Research and design of wireless sensor network gateway based on ZigBee

LUO Hui-bin，WU Fang
（Department of Computer， Beijing Institute of Technology， Zhuhai 519000，China）

In order to better implement the sensor node data acquisition and monitoring，this paper puts forward a design scheme based on ZigBee wireless sensor network gateway.The gateway system based on ARM Cortex-A8 as master control module，and is connected with WiFi module and ZigBee coordinator.The ZigBee protocol is adopted to establish the wireless sensor network，and access to the Internet through WiFi module，realized the data collection of sensor nodes.The experimental results show that the wireless sensor network gateway based on ZigBee is easy to use and can quickly realize external environmental data collection.With the good extensibility， this system can be widely used in building，agriculture，machine tool and other fields.

ZigBee； wireless sensor； gateway； CC2530

TN919-34；TP393.1

A

1674－6236（2017）12-0182-04

2016-05-18稿件編號:201605177

2013年北京理工大學(xué)珠海學(xué)院?？蒲谢痦?xiàng)目（XK-2012JS-03）

羅回彬（1986—），男，廣東梅州人，碩士，實(shí)驗(yàn)師。研究方向:嵌入式系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用。