基于ZigBee 的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

◆靳堯凱 戴貽康 焦運良

（華北計算機系統(tǒng)工程研究所 北京 100083）

在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測和日常生活中，要密切關(guān)注周圍環(huán)境的變化，只有適宜的環(huán)境，才能發(fā)揮最高的生產(chǎn)效率，創(chuàng)造出最大的效益。

隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得人們對無線通信的傳輸質(zhì)量、傳輸距離和快捷性的要求越來越高[1]。人們使用FF 基金會現(xiàn)場總線，CAN 總線等有線電纜的連接方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)測系統(tǒng)有很大的局限性，例如設(shè)備位置較為固定，現(xiàn)場布線麻煩，不適宜復(fù)雜的環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)脆弱，一個節(jié)點的失效可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展，片上系統(tǒng)解決方案的成熟，無線傳感已經(jīng)開始走入尋常百姓家，發(fā)展越來越快，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣闊，它的發(fā)展和運用給人們的生活和生產(chǎn)帶來了深遠(yuǎn)的影響。

目前，短距離無線通信技術(shù)慢慢成為研究的一個熱點領(lǐng)域，它們包括無線局域網(wǎng)（Wi-Fi），藍牙（Bluetooth），紅外數(shù)據(jù)通信（ⅠrDA），近場通信（NFC），超寬帶通信（UWB），以及ZigBee 技術(shù)[2]。其中ZigBee 技術(shù)以其成本低廉，低功耗，高可靠性正廣泛應(yīng)用于家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)控制，公共場所等領(lǐng)域[3]。

1 ZigBee 技術(shù)研究

1.1 ZigBee 技術(shù)特點

知ZigBee 協(xié)議模型主要由應(yīng)用層（APL）和網(wǎng)絡(luò)層（NWK），媒介訪問控制層（MAC）和物理層（PHY）組成，其中NWK 層和APL 層是被ZigBee 聯(lián)盟定義的，PHY 層和MAC 層是被ⅠEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的[4]。ZigBee 技術(shù)有以下幾個特點。

（1）功耗低：由于ZigBee 技術(shù)多用于偏僻或者人們難以到達的地方，因此ZigBee 設(shè)計之初就要求了低功耗，通常來說，一個ZigBee節(jié)點依靠兩節(jié)干電池即可工作6～24 個月[5]。

（2）成本低：由于ZigBee 協(xié)議棧簡單，工作流程清晰，開發(fā)和維護的成本較低，并且ZigBee 協(xié)議對外公開，不需要收取專利費，因此具有較低的成本，適合大規(guī)模使用。

（3）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最高可以有65535 個數(shù)據(jù)模塊，此外，ZigBee 有27 個信道可以用來通信，而TⅠ公司所有支持ZigBee 底層協(xié)議的芯片CC2530 在2.4GHz 的頻段上，有16 個信道進行通信，這就保證了一個區(qū)域可以有多個網(wǎng)絡(luò)的存在。

（4）自組織能力：ZigBee 模塊上電后，協(xié)調(diào)器能夠自行建網(wǎng)，自動分配網(wǎng)絡(luò)地址，終端和路由器上電后能夠自行請求加入網(wǎng)絡(luò)。

（5）可靠性高：網(wǎng)絡(luò)通信采用了避免碰撞的機制，數(shù)據(jù)收發(fā)時不會產(chǎn)生沖突，并且預(yù)留了一些間隙專門為了一些需要固定帶寬的通信，每一個帶有明確地址的數(shù)據(jù)包在接收方接收后都會產(chǎn)生一個確認(rèn)信息，數(shù)據(jù)可以重新發(fā)送，這些方法保證了數(shù)據(jù)在通信過程中不會丟失和出錯。

1.2 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee 組網(wǎng)靈活多變，能夠組成星型、樹型、和網(wǎng)格型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]。一般是根據(jù)現(xiàn)場需要決定選擇何種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中最簡略的結(jié)構(gòu)。一般由一個負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)維護網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和一系列終端傳感器節(jié)點組成。由于每個傳感器只能和協(xié)調(diào)器傳遞信息，因此傳感器之間若想傳遞信息，只能通過整個網(wǎng)絡(luò)的核心—協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將信息轉(zhuǎn)發(fā)后就可以實現(xiàn)傳感器之間的通信。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

樹型結(jié)構(gòu)是由一個負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、維護網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，若干個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)用的路由器和一系列采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳感器組成的。協(xié)調(diào)器可以與路由器和傳感器節(jié)點互相連接，下一級的路由器仍然可以無線連接更下一級的路由器和傳感器。其結(jié)構(gòu)圖可表示為如圖2 所示。

樹型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點是可以進行中繼路由，理論上經(jīng)過路由，ZigBee的傳輸距離可以達到很遠(yuǎn)，它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比星型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是也相對靈活。缺點是信息的路由只有一條通道可以選擇。

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)：一個網(wǎng)絡(luò)只能有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，因此網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也有一個網(wǎng)絡(luò)核心協(xié)調(diào)器，同時還有眾多的路由器和傳感器節(jié)點，與樹型網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)組成相類似，而且這種結(jié)構(gòu)與樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也相似，但是節(jié)點之間的路由通道增加為多條。主要表現(xiàn)是路由器節(jié)點之間可以直接進行通信，由此節(jié)點與節(jié)點之間的通信便可以通過路由器作為橋梁來通信，當(dāng)某個路由器節(jié)點因故障而失去作用，節(jié)點之間的通信便可以繞過該路由器節(jié)點，通過其他的路徑進行通信。網(wǎng)格型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以參考圖3 所示。

圖2 樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖3 網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

終端即為傳感器，首先將各傳感器節(jié)點分散放置在不同位置，傳感器節(jié)點在上電工作后感知到周圍的溫度和濕度的電信號，并且經(jīng)過放大，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，經(jīng)傳感器節(jié)點內(nèi)嵌的8051 核的單片機讀取傳感器數(shù)字信息后，經(jīng)過運算得出真實的溫濕度值。

如果傳感器已經(jīng)入網(wǎng)，則將這些信息以無線的方式先發(fā)送給路由器，路由器再轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個ZigBee 監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組建和維護，并且還需要接受來自路由器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)來的傳感器感知到的信息。協(xié)調(diào)器上電后先組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)組建成功后，路由器和各傳感器節(jié)點加入該網(wǎng)絡(luò)中來。當(dāng)傳感器開始工作后，協(xié)調(diào)器開始接收路由器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的信息，通過串口顯示到LCD 屏幕上。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點包括了傳感器單元，電源供電單元，射頻收發(fā)單元，數(shù)據(jù)處理單元[7]。其結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

傳感器模塊用來感知周圍的溫濕度信息，并將采集到的溫濕度的模擬電信號經(jīng)過模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換成可供CC2530 讀取的數(shù)字信號。CC2530 中的處理器單元負(fù)責(zé)控制處理信息的存儲，Ⅰ/O 口，控制射頻模塊的發(fā)送等，電源模塊負(fù)責(zé)給整個節(jié)點供電。

本設(shè)計需要采集周圍環(huán)境的溫度和濕度信息，采用的國內(nèi)奧松公司推出的集溫度采集和濕度采集于一體的溫濕度傳感器DHT11。

ZigBee 芯片具有自己的協(xié)議棧，我們不需要知道協(xié)議棧里具體程序的運行流程，只需將傳感器采集到的信息，通過串口發(fā)送到ZigBee 芯片。ZigBee 芯片能夠?qū)⑦@些信息經(jīng)過運算處理后以無線的方式發(fā)送出去，接收器按照某種配置，能夠?qū)崟r、無誤的接受這些數(shù)據(jù)或者命令。因此，要求該ZigBee 芯片具有射頻，數(shù)據(jù)處理，同時該芯片業(yè)必須支持ZigBee 底層協(xié)議。選擇TⅠ公司推出的CC2530 芯片作為該設(shè)計的主控芯片。CC2530 芯片成本較低，內(nèi)置增強型的8051 單片機，具有8Kb 的RAM，可在線下載，支持Z-Stack 協(xié)議棧。CC2530 運行功耗較低，能夠在一塊干電池的供電下持續(xù)運行6 個月以上。

2.1.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，維護網(wǎng)絡(luò)，接收路由器轉(zhuǎn)發(fā)來的傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，是整個網(wǎng)絡(luò)的核心。本質(zhì)上來說，終端節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點，路由器節(jié)點的硬件部分一樣，只是終端外接了一個傳感器只需要下載不同功能的代碼就可以實現(xiàn)不同的功能。因此協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件電路與傳感器節(jié)點的硬件電路相同，只是少了傳感器，這里不再贅述。

2.1.3 路由器節(jié)點的硬件設(shè)計

如果測量的范圍過大，且障礙物過多，那么協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送可能會中斷，因此設(shè)置一個路由器節(jié)點負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。由于路由器節(jié)點也沒有傳感器，因此該節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件相同，下載對應(yīng)的代碼即可實現(xiàn)路由功能。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1 Z-Stack 協(xié)議棧

TⅠ公司除了推出其公司的ZigBee 芯片，也公開了很完整實用的協(xié)議棧供開發(fā)者下載使用。ZigBee 協(xié)議的內(nèi)層分為不同的兩大部分[8]，一部分是由ⅠEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的物理層和媒體訪問控制層，另一部分則是由ZigBee 聯(lián)盟規(guī)范制定的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，Z-Stack 就是將這些規(guī)范打包整理，并且用C 語言呈現(xiàn)出來。

Z-Stack 相當(dāng)于一個簡易的操作系統(tǒng)，在協(xié)議棧中的文件夾Zmain.c 是它的主函數(shù)，負(fù)責(zé)整個程序大框架的運行，它有兩個重要的功能，一個是進行ZigBee 的初始化操作，另一個是執(zhí)行該操作系統(tǒng)，保證ZigBee 的正常工作。

2.2.2 傳感器（終端）節(jié)點軟件設(shè)計

終端節(jié)點主要利用傳感器來感知環(huán)境收集數(shù)據(jù)，然后將溫濕度信息打包發(fā)送給路由器[9]。傳感器節(jié)點首先需要初始化并且嘗試加入?yún)f(xié)調(diào)器已經(jīng)創(chuàng)建成功的網(wǎng)絡(luò)中，然后將自己設(shè)備綁定到父節(jié)點上，就可以將終端收集到的溫濕度信息以無線通信的方式傳送到路由器上。

先初始化，之后開始掃描信道，查看附近是否有可以加入的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，若發(fā)現(xiàn)有可以加入的網(wǎng)絡(luò)，則終端會向協(xié)調(diào)器發(fā)送請求幀請求加入網(wǎng)絡(luò)。若協(xié)調(diào)器收到該幀并且同意其入網(wǎng)，則會向傳感器（終端）發(fā)送一個16 位獨一無二的地址。加入網(wǎng)絡(luò)成功后進入休眠模式，當(dāng)定時時間到，讀取傳感器的數(shù)值，存儲在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并且在主控芯片的控制下打包將數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器，發(fā)送不成功再次發(fā)送，直到成功后再次進入休眠狀態(tài)，等待下一次的周期性發(fā)送。

2.2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器決定了當(dāng)前環(huán)境網(wǎng)絡(luò)的存在與否，所以它處于非常重要的位置。在該設(shè)計中它的軟件主要實現(xiàn)的功能包括創(chuàng)建該區(qū)域的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，同時負(fù)責(zé)其他節(jié)點的入網(wǎng)事項，在穩(wěn)定工作后還需要接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，還需要將收到的數(shù)據(jù)通過串口加上屏幕驅(qū)動程序在LCD 上顯示。協(xié)調(diào)器的軟件工作流程如圖5 所示。

（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立和加入。開發(fā)者不需要關(guān)注協(xié)議棧的細(xì)節(jié)部分，只需要知道數(shù)據(jù)的流動過程，并且使用協(xié)議棧提供的相關(guān)函數(shù)實現(xiàn)我們需要的功能即可。

（2）數(shù)據(jù)的接收。在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的正常工作中，協(xié)調(diào)器會將收到的數(shù)據(jù)打包儲存起來，因此只需要通過相關(guān)函數(shù)找到存儲起來的數(shù)據(jù)，就可以經(jīng)過相應(yīng)的驅(qū)動程序顯示在LCD 屏幕上。

2.2.4 路由器節(jié)點軟件設(shè)計

本設(shè)計采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在中間有一級數(shù)據(jù)的中繼，這一功能由路由器實現(xiàn)。路由器的工作流程與終端的工作流程相似，上電后先進行軟件和硬件的初始化操作，然后進行信道的掃描，選擇一個信道，然后進行網(wǎng)絡(luò)的搜索，搜索到合適的網(wǎng)絡(luò)后請求加入。

路由器的唯一功能就是進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，下載相應(yīng)的代碼后，設(shè)備以路由器的身份入網(wǎng)后，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

3 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果

硬件：協(xié)調(diào)器節(jié)點，路由器節(jié)點、終端節(jié)點、仿真器、LCD 顯示屏，PC 機。軟件：ⅠAR Embeded workbench，串口調(diào)試助手。

本設(shè)計采用樹型網(wǎng)絡(luò)，由終端節(jié)點采集溫濕度數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器，經(jīng)過路由器轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到溫濕度信息后驅(qū)動LCD 顯示屏顯示當(dāng)前溫濕度，并且在測試過程中可以打開串口調(diào)試助手查看串口上發(fā)送的具體數(shù)據(jù)。

將相應(yīng)的代碼經(jīng)過編譯，環(huán)境配置后下載到對應(yīng)的模塊中，待各個模塊初始化完成后，便可測得相應(yīng)的溫濕度信息。打開串口調(diào)試助手，可以看到在串口上的溫濕度信息每隔10 秒鐘刷新一下。

圖5 協(xié)調(diào)器軟件工作流程

4 結(jié)束語

綜合以上設(shè)計結(jié)果，可知，該設(shè)計基本符合要求。但本設(shè)計還存在以下的不足：本設(shè)計中只做了三個節(jié)點，完成了最基礎(chǔ)的樹型網(wǎng)絡(luò)組建，但是往往在實際應(yīng)用時，會有更多的節(jié)點參與進來。因此本設(shè)計可考慮增加傳感器，增加路由器節(jié)點，設(shè)計成更為復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。另外本設(shè)計采用的芯片RAM 只有8K，若要設(shè)計更復(fù)雜的功能，可以考慮加片外RAM 或者功能更為強大的芯片。