基于Zigbee的溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)的研究

摘要：根據(jù)一些環(huán)境溫度濕度實(shí)時監(jiān)測的需要，采用首個符合Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的CC2430射頻芯片，以SHT10為溫濕度傳感器來設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)溫度濕度的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過RS232串口與PC通信，實(shí)現(xiàn)對溫度濕度的無線智能監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：Zigbee；無線網(wǎng)絡(luò)；CC2430；溫度濕度監(jiān)測

在生命科學(xué)設(shè)施、計(jì)量校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室和電子制造環(huán)境，溫度和濕度往往需要監(jiān)測和報(bào)警顯示，以保障產(chǎn)品和工藝；在農(nóng)業(yè)種植、環(huán)境監(jiān)測和我們的日常生活中，要時刻關(guān)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(shù)據(jù)，線路復(fù)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(shè)備并不需要很大的功耗和數(shù)據(jù)傳輸速率。Zigbee技術(shù)彌補(bǔ)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(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用。
Zigbee技術(shù)有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)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(diǎn)，自組織網(wǎng)絡(luò)，并且節(jié)點(diǎn)功耗低，生命周期長，使用靈活方便。因此，采用Zigbee技術(shù)來設(shè)計(jì)溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)，具有明顯的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 Zigbee技術(shù)及協(xié)議棧
Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低成本無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)。Zigbee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層框架的設(shè)計(jì)，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層(APs)、設(shè)備對象層(ZDO)和由制造商制訂的應(yīng)用對象。Zigbee支持的設(shè)備類型包括FFD(全功能設(shè)備)和RFD(半功能設(shè)備)。FFD可以和FFD和RFD通信，可以為PAN協(xié)調(diào)器，路由器和終端設(shè)備。RFD只能和FFD通信，只能作為終端設(shè)備。在IEEE802．15．4物理層和MAC層基礎(chǔ)上，Zigbee網(wǎng)絡(luò)層提供了一些功能，比如動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的建立、地址、路由和發(fā)現(xiàn)
一跳的鄰居節(jié)點(diǎn)等。

2 系統(tǒng)的組成
該監(jiān)測系統(tǒng)由Zigbee協(xié)調(diào)器、Zigbee路由器、若干個SHT10溫濕度傳感器組成的樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)分布于需要監(jiān)測的區(qū)域，負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)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(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)傳給協(xié)調(diào)器，最終通過RS232串口將數(shù)據(jù)送入監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)放在監(jiān)控室，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲和對數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，每個設(shè)備擁有兩個地址：一個是64位IEEE物理地址，每個節(jié)點(diǎn)擁有全球唯一的MAC地址，另一個是所在PAN里獨(dú)有16位網(wǎng)絡(luò)地址，也稱短地址。網(wǎng)絡(luò)地址是在節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時，由其父節(jié)點(diǎn)分配給它的。協(xié)調(diào)器在建立網(wǎng)絡(luò)后使用0x000作為自己的短地址。路由器和終端加入網(wǎng)絡(luò)后，使用父設(shè)備給它分配的短地址來通訊。工作人員無需到現(xiàn)場，通過查看網(wǎng)絡(luò)地址即可知道哪一點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，這樣既方便快速又可集中查詢、管理數(shù)據(jù)。

3 硬件設(shè)計(jì)
為了便于系統(tǒng)功能擴(kuò)展，節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為核心板、底板、傳感器模塊3個部分。核心板負(fù)責(zé)傳感器的驅(qū)動以及數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)的片上Zigbee產(chǎn)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(jī)的最小系統(tǒng)板，它將CC2430單片機(jī)的P0口、P1口和P2_0-P2_2全部引出，滿足模塊化設(shè)計(jì)的需求。由于CC2430在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。內(nèi)部集成了大量必要的電路，因此采用較少的外圍電路即實(shí)現(xiàn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，另一方面為整個模塊供電和節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)之間通信的接口，主要由電源電路、單片機(jī)接口電路、復(fù)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(zhuǎn)換器1117—3．3將5 V直流電轉(zhuǎn)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(fù)責(zé)采集溫度、濕度數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)也可以采集濕度數(shù)據(jù)。它用兩條串行線與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，SCK數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)處理器和SHT10的通訊同步；DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀寫。將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，所以用戶只需按照它提供的接口將溫濕度數(shù)據(jù)讀取出來即可。數(shù)據(jù)采集完成后Zigbee無線通信芯片將數(shù)據(jù)經(jīng)路由器傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，這樣溫濕度采集節(jié)點(diǎn)便完成了一次工作周期。本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(fèi)協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，通過修改其應(yīng)用層來實(shí)現(xiàn)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(xiàng)目，一個是主文件，存放具體的任務(wù)處理函數(shù)，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(wù)處理函數(shù)數(shù)組tasksArr[]的文件。無需改動Z—Stack核心代碼，大大增加了項(xiàng)目的通用性和易移植性。我們把Coordinator、Router和End Device這三種設(shè)備一起添加到項(xiàng)目中，在“project==>edit configurations”中，分別建立“Coordinator”“Router”及“EndDevice”三種設(shè)備的項(xiàng)目設(shè)置。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)代碼包括協(xié)調(diào)器代碼、路由器代碼、傳感器節(jié)點(diǎn)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(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
在一個Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)最先啟動。復(fù)位上電以后，首先進(jìn)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(wǎng)絡(luò)，等待有子節(jié)點(diǎn)加入時，就會發(fā)出入網(wǎng)響應(yīng)。子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功后，協(xié)調(diào)器接收到傳來的數(shù)據(jù)包，解析出數(shù)據(jù)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(diǎn)設(shè)計(jì)
路由器和終端設(shè)備啟動后，將掃描DEFAULT_CHANLIST指定的頻道。首先進(jìn)行初始化，然后申請加入網(wǎng)絡(luò)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(shè)備傳來的溫濕度數(shù)據(jù)，接收后再轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。如果是終端設(shè)備，傳感器節(jié)點(diǎn)在不同工作模式下功耗大不一樣，為了降低功耗，它平時應(yīng)該處于休眠模式，被喚醒后才將數(shù)據(jù)發(fā)給父節(jié)點(diǎn)，發(fā)送完后再次進(jìn)入休眠模式。通信協(xié)議應(yīng)該簡單有效，發(fā)送節(jié)點(diǎn)信息時使用短地址發(fā)送，使得節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算開銷盡量小，這樣可大大延長節(jié)點(diǎn)的壽命。子節(jié)點(diǎn)通信流程如圖4所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)每隔一段時間采集一次溫度、濕度值，然后把數(shù)據(jù)打包傳輸給父節(jié)點(diǎn)，如果傳輸成功，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)；如果傳輸不成功，就再重新采集數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)，直到成功為止。溫濕度傳感器燒寫步驟：在項(xiàng)目的應(yīng)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(wù)數(shù)組tasksArr[]添加任務(wù)函數(shù)osalTaskAdd(Humidity_Init，Humidity_ProcessEvent，OSAL TASK_PRIORITY_LOW)，最后運(yùn)行程序沒有錯誤后，把程序燒寫到傳感器節(jié)點(diǎn)即可。
4．3 低功耗設(shè)計(jì)
為了使節(jié)點(diǎn)有更長的生存時間，對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠設(shè)置。CC2430芯片采用0．18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，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(zhuǎn)換到主動模式時間超短，不會產(chǎn)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(jìn)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(dāng)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(dāng)前沒有任務(wù)那么將進(jìn)入PM3模式。開啟休眠模式如下：首先確認(rèn)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(xiàng)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(jìn)去低功耗模式，在osal．c文件中osal_start_system()中以下部分加斷點(diǎn)，看是否進(jìn)入。


5 測試結(jié)果
采用一個協(xié)調(diào)器、一個路由器和3個溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)測試，各個節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器相距大約50米。首先打開電源，待協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)之后，路由器和終端節(jié)點(diǎn)就開始申請加入網(wǎng)絡(luò)。等待底板上的信號指示燈閃爍后，就表明有節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)開始周期性地采集周圍環(huán)境的溫度濕度值。采集一次數(shù)據(jù)后，指示燈熄滅，說明此時終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入低功耗模式。協(xié)調(diào)器通過RS232與PC相連，通過串口調(diào)試助手顯示數(shù)據(jù)，設(shè)置波特率為115200b／s，無校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。某一時刻采集到各點(diǎn)的溫度濕度值如圖5所示(小端格式十六進(jìn)制顯示)。根據(jù)SHT10數(shù)據(jù)手冊，實(shí)際溫度=0．04x溫度值-39.6，實(shí)際濕度=-4++0.648x濕度值-7.2x10-4×濕度值2，經(jīng)計(jì)算實(shí)際溫度約為27.5℃，實(shí)際濕度約為51．6％RH。

6 結(jié)束語
文中以CC2430為核心實(shí)現(xiàn)了溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)，具有擴(kuò)展性，加上相應(yīng)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(diǎn)使用壽命。在使用過程中可以通過在Zigbee協(xié)調(diào)器及路由器上添加TI公司的2．4 GHZ射頻前端CC2591來增加網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，或者增加GPRS模塊來進(jìn)行更遠(yuǎn)程的無線監(jiān)測。實(shí)用性高，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可廣泛應(yīng)用在倉儲系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)、溫室大棚、精密儀器的實(shí)驗(yàn)室和溫度濕度條件要求嚴(yán)格的環(huán)境中，市場前景廣闊。