基于ZigBee的溫濕度監測系統設計

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，物聯網技術得到了快速發展，與此相關的一些技術如RFID、無線傳感器網絡也得到了快速的發展。與此同時，各種無線傳感器網絡協議標準也日漸規范化，其中得到廣泛應用和推廣的一種協議就是ZigBee 2007協議[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越來越被人們所重視[2]，如利用ZigBee技術開發的智能家居系統[3]、智能公交系統[4]、安防系統[5]、電子門鎖[6]、智能牧場[7]等已成為業內的熱點。本文依據ZigBee的相關特點設計了一種對環境溫濕度進行實時監測的系統。

1 ZigBee技術的簡介

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。

總體而言，ZigBee技術具有如下特點：

（1）高可靠性

ZigBee聯盟在制定ZigBee規范時已經考慮到這種數據傳輸過程中的內在的不確定性，采取了一些措施來提高數據傳輸的可靠性，主要包括：物理層兼容高可靠的短距離無線通信協議IEEE 802.11.5同時使用OQPSK和DASS技術；使用CSMA—CA技術來解決數據沖突問題；使用16-bits CRC來確保數據的正確性；使用帶應答的數據傳輸方式來確保數據正確的傳輸目的地址；采用星型網絡盡量保證數據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技術可以應用8-bit MCU，目前TI公司推出的兼容ZigBee 2007協議的SOC芯片CC2530每片價格在20-35元，外接幾個阻容器構成的濾波電路和PCB天線即可實現網絡節點的構建。

（3）高安全性

ZigBee提供了基于循環冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，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激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制應用。

2 溫濕度采集系統的總體方案設計

2.1 溫濕度采集系統設計框架圖

協調器建立ZigBee無線網絡，終端節點自動加入該網絡中，然后終端節點周期性的采集溫濕度數據，并將其發送給協調器，協調器收到溫濕度數據，通過RS232串口將其輸出到用戶PC機。系統設計原理圖如圖1：

圖1 系統設計原理圖

2.2 無線傳感網絡節點設計

針對不同的應用，傳感器節點的組成也不盡相同，但是它們的基本結構是一樣的。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,傳感器節點的基本結構如圖2：

圖2 傳感器節點的基本結構

3 溫濕度采集系統的節點設計

3.1 協調器的程序設計

協調器的任務主要是組建ZigBee網絡、允許終端節點加入網絡、綁定終端節點、將溫濕度數據傳給PC機。協調器加電后，首先搜索信道，選定信道后將完成初始化和建立網絡的任務，包括PAN ID的設定、協調器地址的設定和其他一些網絡參數的設定。當有節點加入網絡時，如果其發送的信息都正確，協調器將允許其加入網絡，并分配給節點一個16位的短地址和相關的網絡參數。如果協調器收到了節點的綁定請求，協調器要響應節點的綁定請求。對接收到的數據，在接收數據的同時，協調器還要通過通訊串口RS232將數據發送給PC機，來檢測測量的結果是否符合設計要求。協調器的程序流程圖如圖3：

圖3 協調器的程序流程圖

3.2 終端節點的程序設計

終端節點的主要任務是進行加入網絡、請求綁定、數據測量以及發送數據。

終端節點加電后，首先進行系統硬件初始化，包括微處理器初始化和CC2530初始化。通過一系列的初始化，完成節點的參數設置、寄存器設置以及工作模式的設置。初始化完成之后，終端節點搜索網絡并發出請求加入信息，在接到協調器的允許加入網絡信息后，按下綁定的按鍵，向協調器發送綁定請求。綁定的目的是讓終端節點的地址信息出現在協調器的綁定表中，從而使終端節點和協調器關聯起來，最后進入事件循環模式，節點定時查詢有無事件發生，時間循環分為硬件、網絡層、接入層、應用層等，均要查詢各自的事件。本文的終端節點的事件主要是對定時器的設置，每隔一段時間要啟動定時器，進行溫濕度數據的采集，并把數據封裝成數據包格式發送出去。在沒有事情發生的情況下，系統進入低耗模式。終端節點的程序流程圖如圖4：

圖4 終端節點的程序流程圖

4 溫濕度采集系統的測試

4.1 實驗平臺的組建

硬件平臺：PC機一臺、4個終端節點、1個協調器。

軟件平臺：IAR軟件集成開發環境、ZigBee協議棧。

協調器采用持續電源供電，終端節點采用電池供電。以實驗環境為背景，終端節點只與協調器通信。在PC機上安裝IAR軟件開發平臺，通過仿真接口JATG將程序下載到CC2530中，協調器通過串口與PC機相連，把終端節點采集到的數據發送給PC機

4.2 數據傳輸及顯示測試結果

在終端節點和協調器建立綁定關系后，終端節點會啟動溫濕度采集程序，終端節點周期性的采集數據，將數據發送給協調器，協調器通過串口發送給PC機，在PC機上顯示出來。PC機上顯示的結果如圖

5：圖5 顯示的結果

結果顯示，終端節點可以周期性的采集數據，并通過無線網絡發送給協調器，在PC上顯示出檢測結果。

5 結論

本文基于新型低功率、低成本的ZigBee無線網絡技術提出分布式溫濕度檢測系統的方法。該方法采用溫濕度復合傳感器芯片DHT11作為溫濕度數據采集單元，采用符合ZigBee標準的CC2530射頻芯片作為數據傳送單元，實現了對環境溫濕度的無線監測功能。測試結果表明，該系統能有效的采集環境溫濕度數據，通過無線網絡傳送數據，周期性的在PC上顯示出監測結果。

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

［2］王小強.ZigBee無線傳感器網絡的設計與實現[M].北京：化學工業出版社,2012：1-75.

［3］南忠良,孫國新.基于ZigBee技術的智能家居系統設計[J].電子設計工程,2010,7.

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

［5］劉敏,單志勇.基于ZigBee的小區無線安防系統設計[J].電子測量技術,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.