基于Zigbee的溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)的研究

摘要：根據一些環(huán)境溫度濕度實時監(jiān)測的需要，采用首個符合Zigbee標準的CC2430射頻芯片，以SHT10為溫濕度傳感器來設計實現溫度濕度的數據采集與傳輸。利用TI公司的Z—Stack協(xié)議棧在IAB開發(fā)環(huán)境下，建立一個無線傳感器網絡。網絡協(xié)調器通過RS232串口與PC通信，實現對溫度濕度的無線智能監(jiān)測。
關鍵詞：Zigbee；無線網絡；CC2430；溫度濕度監(jiān)測

在生命科學設施、計量校準實驗室和電子制造環(huán)境，溫度和濕度往往需要監(jiān)測和報警顯示，以保障產品和工藝；在農業(yè)種植、環(huán)境監(jiān)測和我們的日常生活中，要時刻關心環(huán)境變化，只有在適宜的溫度和濕度下，才能獲得更大的效益。以往的測溫測濕系統(tǒng)都是通過CAN或RS485等有線方式傳送數據，線路復雜布線困難，成本高，老化、容易受雷擊等問題影響了其可靠性。另外，像溫度、濕度傳感器這樣的設備并不需要很大的功耗和數據傳輸速率。Zigbee技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關鍵在于豐富而便捷的應用。
Zigbee技術有自己的無線電標準，在數千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現網絡通信。這些傳感器只需要很低的功耗，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，它們的通信效率非常高。無需布線，可以按照需要增減溫度濕度采集節(jié)點，自組織網絡，并且節(jié)點功耗低，生命周期長，使用靈活方便。因此，采用Zigbee技術來設計溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)，具有明顯的實用價值和現實意義。

1 Zigbee技術及協(xié)議棧
Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低成本無線網絡技術，是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺。Zigb ee協(xié)議棧對那些涉及Zigbee的層予以定義。IEEE 802．15．4標準定義了最下面的兩層：物理層(PHY)和介質接入控制子層(MAC)。Zigbee聯(lián)盟提供了網絡層和應用層框架的設計，其中應用層的框架包括了應用支持子層(APs)、設備對象層(ZDO)和由制造商制訂的應用對象。Zigbee支持的設備類型包括FFD(全功能設備)和RFD(半功能設備)。FFD可以和FFD和RFD通信，可以為PAN協(xié)調器，路由器和終端設備。RFD只能和FFD通信，只能作為終端設備。在IEEE802．15．4物理層和MAC層基礎上，Zigbee網絡層提供了一些功能，比如動態(tài)網絡的建立、地址、路由和發(fā)現
一跳的鄰居節(jié)點等。

2 系統(tǒng)的組成
該監(jiān)測系統(tǒng)由Zigbee協(xié)調器、Zigbee路由器、若干個SHT10溫濕度傳感器組成的樹狀網絡結構圖。其中，傳感器節(jié)點分布于需要監(jiān)測的區(qū)域，負責對數據的感知和處理，并通過無線射頻信號發(fā)射給路由器，再通過路由器的轉發(fā)將數據傳給協(xié)調器，最終通過RS232串口將數據送入監(jiān)控主機，監(jiān)控主機放在監(jiān)控室，負責數據存儲和對數據的進一步處理。Zigbee網絡中，每個設備擁有兩個地址：一個是64位IEEE物理地址，每個節(jié)點擁有全球唯一的MAC地址，另一個是所在PAN里獨有16位網絡地址，也稱短地址。網絡地址是在節(jié)點加入網絡時，由其父節(jié)點分配給它的。協(xié)調器在建立網絡后使用0x000作為自己的短地址。路由器和終端加入網絡后，使用父設備給它分配的短地址來通訊。工作人員無需到現場，通過查看網絡地址即可知道哪一點傳來的數據，這樣既方便快速又可集中查詢、管理數據。

3 硬件設計
為了便于系統(tǒng)功能擴展，節(jié)點采用模塊化設計，分為核心板、底板、傳感器模塊3個部分。核心板負責傳感器的驅動以及數據的傳輸工作。它的主控芯片是CC2430[4]，是一款真正符合IEEE802．15．4標準的片上Zigbee產品，具有超低功耗、高靈敏度、出眾的噪聲及抗干擾能力。核心板即為CC2430單片機的最小系統(tǒng)板，它將CC2430單片機的P0口、P1口和P2_0-P2_2全部引出，滿足模塊化設計的需求。由于CC2430在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。內部集成了大量必要的電路，因此采用較少的外圍電路即實現信號的收發(fā)功能，如圖1所示。

底板一方面連接核心板與傳感器模塊，在傳感器與芯片之間進行數據傳輸，另一方面為整個模塊供電和節(jié)點與PC機之間通信的接口，主要由電源電路、單片機接口電路、復位電路等組成。系統(tǒng)中CC2430芯片需要的電源是3．3 V直流穩(wěn)壓電源，而我們常用的電源電壓是5 V，所以需要用DC—DC直流轉換器1117—3．3將5 V直流電轉換為3．3 V直流電，以供系統(tǒng)正常工作需求。電源模塊電路如圖2所示。

傳感器模塊采用溫濕度傳感器SHT10，負責采集溫度、濕度數據，其工作電壓為2．4～5．5 V，測濕精度為±4．5％RH，25℃時測溫精度為±0．5℃。由于傳感器SHT10既可以采集溫度數據也可以采集濕度數據。它用兩條串行線與處理器進行數據通信，SCK數據線負責處理器和SHT10的通訊同步；DATA三態(tài)門用于數據的讀寫。將模擬量轉換為數字量輸出，所以用戶只需按照它提供的接口將溫濕度數據讀取出來即可。數據采集完成后Zigbee無線通信芯片將數據經路由器傳輸到協(xié)調器，這樣溫濕度采集節(jié)點便完成了一次工作周期。本設計中CC2430的引腳P0_0用于連接SCK，P0_4用于連接DATA。

4 系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)軟件設計基于TI公司推出的CC2430芯片配套的Z—Stack協(xié)議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境。在TI免費協(xié)議棧的基礎上，通過修改其應用層來實現不同的功能。一般情況下，我們只需要添加三個文件就可以完成一個項目，一個是主文件，存放具體的任務處理函數，一個是這個主文件的頭文件，另一個是操作系統(tǒng)接口文件，專門存放任務處理函數數組tasksArr[]的文件。無需改動Z—Stack核心代碼，大大增加了項目的通用性和易移植性。我們把Coordinator、Router和End Device這三種設備一起添加到項目中，在“project==>edit configurations”中，分別建立“Coordinator”“Router”及“EndDevice”三種設備的項目設置。無線傳感器網絡代碼包括協(xié)調器代碼、路由器代碼、傳感器節(jié)點代碼。這些代碼都在同一個工程文件中，通過條件編譯的方式將代碼分成不同的功能。
4．1 協(xié)調器節(jié)點設計
在一個Zigbee無線網絡中，協(xié)調器作為網絡的中心節(jié)點最先啟動。復位上電以后，首先進行系統(tǒng)初始化。完成之后，就會掃描DEFAULT_ CHANLIST指定的信道，最后選擇一個合適的信道建立網絡，等待有子節(jié)點加入時，就會發(fā)出入網響應。子節(jié)點加入網絡成功后，協(xié)調器接收到傳來的數據包，解析出數據源的短地址、溫度和濕度值并將其傳送給PC顯示出來。其流程圖如圖3所示。

4．2 子節(jié)點設計
路由器和終端設備啟動后，將掃描DEFAULT_CHANLIST指定的頻道。首先進行初始化，然后申請加入網絡成功之后，通過JionAsRouter= TRUE?判斷是否為路由器。如果是，則等待終端設備傳來的溫濕度數據，接收后再轉發(fā)給協(xié)調器。如果是終端設備，傳感器節(jié)點在不同工作模式下功耗大不一樣，為了降低功耗，它平時應該處于休眠模式，被喚醒后才將數據發(fā)給父節(jié)點，發(fā)送完后再次進入休眠模式。通信協(xié)議應該簡單有效，發(fā)送節(jié)點信息時使用短地址發(fā)送，使得節(jié)點的運算開銷盡量小，這樣可大大延長節(jié)點的壽命。子節(jié)點通信流程如圖4所示。

傳感器節(jié)點每隔一段時間采集一次溫度、濕度值，然后把數據打包傳輸給父節(jié)點，如果傳輸成功，節(jié)點進入休眠狀態(tài)；如果傳輸不成功，就再重新采集數據傳輸數據，直到成功為止。溫濕度傳感器燒寫步驟：在項目的應用層(APP)中添加Humidity．c和Humidity．h文件，然后在操作系統(tǒng)接口文件OSAL_SampleApp．c中的任務數組tasksArr[]添加任務函數osalTaskAdd(Humidity_Init，Humidity_ProcessEvent，OSAL TASK_PRIORITY_LOW)，最后運行程序沒有錯誤后，把程序燒寫到傳感器節(jié)點即可。
4．3 低功耗設計
為了使節(jié)點有更長的生存時間，對傳感器節(jié)點進行休眠設置。CC2430芯片采用0．18 μm CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式時間超短，不會產生很大的時間延遲。Z—Stack提供了兩種sleep模式，LITE和DEEP(PM2／PM3)。PM2模式比較省功耗而且可以被定時喚醒；PM3模式最省電但是只能被外部中斷喚醒。系統(tǒng)在進入低功耗模式前，必須保證沒有需要處理的消息或其他事件。當系統(tǒng)需要周期性地喚醒執(zhí)行一些事件時使用PM2模式，如果當前沒有任務那么將進入PM3模式。開啟休眠模式如下：首先確認在配置文件f8wConflg．cfg中的DRFD_RCVC_ALWAYS_ON定義為FALSE；第二步，在IAR的Optio ns->C／C++Compiler->Defined symbols中添加編譯選項POWER_SAVING；第三步，在Options->Linker->Linker command line里面把8w2430. xel改為f8w2430pm．xel；第四步，查看是否進去低功耗模式，在osal．c文件中osal_start_system()中以下部分加斷點，看是否進入。


5 測試結果
采用一個協(xié)調器、一個路由器和3個溫濕度傳感器節(jié)點測試，各個節(jié)點與協(xié)調器相距大約50米。首先打開電源，待協(xié)調器建立網絡之后，路由器和終端節(jié)點就開始申請加入網絡。等待底板上的信號指示燈閃爍后，就表明有節(jié)點成功加入網絡，終端節(jié)點開始周期性地采集周圍環(huán)境的溫度濕度值。采集一次數據后，指示燈熄滅，說明此時終端節(jié)點進入低功耗模式。協(xié)調器通過RS232與PC相連，通過串口調試助手顯示數據，設置波特率為115200b／s，無校驗位，8位數據位，1位停止位。某一時刻采集到各點的溫度濕度值如圖5所示(小端格式十六進制顯示)。根據SHT10數據手冊，實際溫度=0．04x溫度值-39.6，實際濕度=-4++0.648x濕度值-7.2x10-4×濕度值2，經計算實際溫度約為27.5℃，實際濕度約為51．6％RH。

6 結束語
文中以CC2430為核心實現了溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設計，在傳感器SHT10的配合下，完成了對環(huán)境溫度濕度的無線監(jiān)測。在硬件方面為模塊化設計，具有擴展性，加上相應的傳感器可以測其他因素如光照、氣體濃度等，可以監(jiān)測更多的環(huán)境因素；軟件方面簡化通信協(xié)議，并使終端休眠，降低了其功耗，延長了節(jié)點使用壽命。在使用過程中可以通過在Zigbee協(xié)調器及路由器上添加TI公司的2．4 GHZ射頻前端CC2591來增加網絡的覆蓋范圍，或者增加GPRS模塊來進行更遠程的無線監(jiān)測。實用性高，可擴展性強，可廣泛應用在倉儲系統(tǒng)、中央空調系統(tǒng)、溫室大棚、精密儀器的實驗室和溫度濕度條件要求嚴格的環(huán)境中，市場前景廣闊。