基于ZigBee的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

熊萬

摘要：隨著科技的發(fā)展，無線通訊技術(shù)逐漸應(yīng)用于社會的各個領(lǐng)域，ZigBee技術(shù)便是一種較新的技術(shù)，應(yīng)用于短距離的無線通信。

關(guān)鍵詞：zigbee；CC2530；智能監(jiān)控；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

引言

如今的社會正在逐步的走向智能化，不論是在工業(yè)方面還是在家庭設(shè)備上。同時在生產(chǎn)和生活方面一些外界的因素也起著決定性的因素，例如溫度，濕度，光照強(qiáng)度以及氣體濃度等都起著主導(dǎo)地位。因此就需要在這方面安裝檢測設(shè)備來對其進(jìn)行實時的監(jiān)控，并且能在指標(biāo)超出規(guī)定的范圍時進(jìn)行報警并作出相應(yīng)的處理。由于需要檢測的點很多，如果用傳統(tǒng)的有線傳輸不僅費用很高，而且也不易安裝和維護(hù)。因此我們可以用ZigBee實現(xiàn)這一監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，其成本低廉，適用于短距離傳輸且準(zhǔn)確精度高。

一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的特點和要求，設(shè)計出了具有1個協(xié)調(diào)器（中心控制節(jié)點）和3個

終端節(jié)點（傳感器節(jié)點）的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。整個系統(tǒng)由PC機(jī)、協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點組成。

PC機(jī)通過RS232與協(xié)調(diào)器進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的交換，其中協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的核心。傳感器節(jié)點所獲得的數(shù)據(jù)均發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后由協(xié)調(diào)器發(fā)送給PC機(jī)。同樣PC機(jī)下達(dá)的指令也是通過串口先發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后在有協(xié)調(diào)器發(fā)送給終端節(jié)點。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）、主控制器CC2530簡介

CC2530單片機(jī)是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機(jī)。內(nèi)部具有8KB的RAM，32-、64-或128-KB 的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存且支持硬件調(diào)試。其還擁有強(qiáng)大的5通道DMA，1個16位定時器，2個8位的定時器，1個MAC定時器專為MAC或其他協(xié)議而設(shè)的定時器，可以跟蹤已過周期，同時可以記錄收發(fā)某一的幀精確時間和傳輸結(jié)束時間，以便產(chǎn)生不同的選通命令到無線模塊。還具有8路輸入和可配置分辨率的12位ADC，2個支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART，21個通用I/O引腳。并且CC2530用128位的AES算法進(jìn)行加密或解密數(shù)據(jù)，從而保證了ZigBee網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的安全要求，保證了通信的安全性能。

（二）、協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點電路設(shè)計

協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點在硬件電路設(shè)計上是一樣的，我們通過不同程序來實現(xiàn)協(xié)調(diào)器與終端不同的功能，具體是如何實現(xiàn)的我們將在下一節(jié)進(jìn)行講解。由于CC2530芯片內(nèi)部已經(jīng)具有了CPU和內(nèi)存相關(guān)模塊，外設(shè)、時鐘和電源管理相關(guān)模塊以及無線信號收發(fā)相關(guān)模塊，因此我們只需要很少的外接元器件并可以實現(xiàn)2個ZigBee節(jié)點之間的無線通信。

（三）、傳感器的選擇

溫度傳感器采用DS18B20，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點。

獨特的單線接口方式，在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。測溫范圍-55℃～+125℃，固有測溫誤差1℃，并且在使用中不需要任何外圍元件。

濕度傳感器采用DHT11濕度傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保其具有極高的可靠性和長期的穩(wěn)定性，其測量濕度的范圍在20-90%RH，且測量的精度在±5%RH。

人體紅外傳感器采用HC-SR501，采用LHI778探頭設(shè)計，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各類設(shè)備，低功耗，適用于干電池供電的自動控制產(chǎn)品。

最后的照明系統(tǒng)的設(shè)計則是通過繼電器來對臺燈進(jìn)行控制，通過控制繼電器的通斷電來對臺燈進(jìn)行開關(guān)的控制。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）、ZigBee協(xié)議棧簡介

在訪問互聯(lián)網(wǎng)的時候，首先在硬件上需要具有網(wǎng)卡，在軟件上則通過TCP/IP協(xié)議來進(jìn)行通信。同樣的道理，運(yùn)用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的時候，在硬件上用到的是支持ZigBee底層協(xié)議的芯片CC2530，在軟件上用到的是ZigBee協(xié)議棧。所謂的協(xié)議就是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，通信雙方需要共同按照這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)的收發(fā)；而協(xié)議棧則是協(xié)議的具體實現(xiàn)形式，通俗的理解為用代碼實現(xiàn)函數(shù)庫。

（二）、協(xié)調(diào)器程序設(shè)計

這里使用的是ZigBee 2007協(xié)議棧，并且在IAR For MCS-51的環(huán)境中采用C語言進(jìn)行編程。協(xié)調(diào)器在上電后，先進(jìn)行板載硬件以及協(xié)議棧的初始化，然后調(diào)用OSAL_start_system（ ）函數(shù)開始運(yùn)行操作系統(tǒng)，由于協(xié)調(diào)器需要建立ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的功能，因此調(diào)用ZDO_startDevice（ ）函數(shù)組建Z igBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組建完成后向用戶發(fā)送ZDO狀態(tài)改變事件消息ZDO_STSTE_CHANGE，接著系統(tǒng)就進(jìn)入用戶處理函數(shù)App_ProcessEvent（ ）對此事件進(jìn)行處理，處理完畢后再跳到OSAL_start_system（ ）函數(shù)中等待事件的發(fā)生。當(dāng)PC機(jī)通過串口給協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)時，此時就會產(chǎn)生CMD_SERIAL_MSG事件，接著進(jìn)入對應(yīng)的處理函數(shù)中。當(dāng)終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器時，AF_INCOMING_MSG_CMD事件就會被觸發(fā)。

（三）、終端節(jié)點程序設(shè)計

終端節(jié)點在上電后，先進(jìn)行一個系統(tǒng)的初始化，隨后搜索附近是否擁有協(xié)調(diào)器組建好的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如果擁有則會發(fā)送消息要求加入其網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)終端節(jié)點成功的加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)以后會獲得一個在該網(wǎng)絡(luò)中16位短地址，該短地址在此協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。協(xié)調(diào)器通過該短地址可以區(qū)分出不同的終端節(jié)點，并且可以通過短地址與終端節(jié)點之間進(jìn)行點對點的通信。

（四）、上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件的主要功能是與位于監(jiān)控室中的中心控制節(jié)點通過RS- 232串行口進(jìn)行通信，從而接收傳感器節(jié)點的信息。另外，上位機(jī)軟件還要實現(xiàn)人機(jī)交互、傳感器信息接收、數(shù)據(jù)處理與分析和數(shù)據(jù)庫管理等功能。

四、系統(tǒng)測試結(jié)果

通過3個傳感器節(jié)點在室內(nèi)的3個不同的地方分別對周圍環(huán)境中的溫度、濕度、周圍是否有人以及對照明系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的測試。實驗的結(jié)果表明該系統(tǒng)完全可以對這些因素進(jìn)行監(jiān)控，通過返回給上位機(jī)的數(shù)據(jù)來看，數(shù)據(jù)也都是實時的準(zhǔn)確無誤的上傳上來。而且具有接線簡單，性能穩(wěn)定可靠，測量精度高的特點。實驗結(jié)果如圖1所示。

五、結(jié)語

本文提出的基于ZigBee的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，通過無線的方式對不同地點的周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集并通過PC機(jī)準(zhǔn)確的將信息顯示出來。其結(jié)果表明ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測控系統(tǒng)，具有可靠性高、抗干擾性好、功耗小和成本低的特點，能夠滿足監(jiān)控系統(tǒng)的需要。

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