基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境監測系統設計

摘要：以CC2530和zstack協(xié)議棧為平臺，給出了基于ZigBee技術(shù)的溫度、光照度無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的設計方法，同時(shí)對協(xié)議棧的運行機制、組網(wǎng)過(guò)程及應用層的數據采集進(jìn)行了分析與設計。實(shí)驗結果表明，該設計方法可行，各節點(diǎn)工作良好，能成功實(shí)現多跳網(wǎng)絡(luò )的數據采集。

0 引言

各行各業(yè)尤其是工農業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監測等領(lǐng)域，都對無(wú)線(xiàn)數字監測系統提出了極大的需求和更高的要求。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的迅速發(fā)展并逐漸走向成熟，使得這一需求得到了較好的滿(mǎn)足?；赯igBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)具有自組織、低功耗、以數據為中心、抗毀性強和無(wú)需架設網(wǎng)絡(luò )設施等優(yōu)勢，可以在外界環(huán)境十分惡劣的條件下，完成其他監測手段無(wú)法完成的任務(wù)，代表了數字監測的一個(gè)新的發(fā)展方向。本文以TI公司的CC2530和zstack協(xié)議棧為平臺，給出了基于ZigBee技術(shù)的溫度及光照度無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的設計方法。

1 系統總體設計

本文設計的基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)協(xié)調器節點(diǎn)、若干路由節點(diǎn)和眾多傳感節點(diǎn)組成，圖1所示是其系統總體結構。其中，傳感節點(diǎn)負責對環(huán)境溫度等數據的監測，然后通過(guò)路由節點(diǎn)以多跳方式將數據發(fā)送給協(xié)調器節點(diǎn)，協(xié)調器節點(diǎn)負責將數據上報給監測中心PC機。

2 節點(diǎn)硬件設計

根據節點(diǎn)在系統中的應用不同，可分為傳感節點(diǎn)、路由節點(diǎn)和協(xié)調器節點(diǎn)。各節點(diǎn)的功能不盡相同，可分為數據采集、數據處理、無(wú)線(xiàn)通信、能量供應和串口通信等功能。各功能模塊采用模塊化的方法設計，這樣可以實(shí)現各模塊的并行設計、調試，縮短開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)也便于后期更換和擴展傳感器，從而方便后期維護或移植到其他監測領(lǐng)域。

2.1 ZigBee模塊

本設計中的各節點(diǎn)選用CC2530芯片作為ZigBee模塊，實(shí)現數據處理及ZigBee無(wú)線(xiàn)通信功能。CC2530內部集成了一個(gè)高性能2.4 GHz射頻收發(fā)器和一個(gè)增強型8051微處理器，最大256 KB可編程FLASH、8 KB的RAM并提供了一套廣泛的外設集，為2.4 G IEEE 802.15.4和ZigBee應用提供了一種SOC解決方案。該模塊的電路如圖2所示，圖2中包含了最小系統、射頻前端及I/O接口電路。

2.2 數據采集模塊

各傳感節點(diǎn)通過(guò)一線(xiàn)制數字溫度傳感器DS18B20和CDS光敏電阻5 516對環(huán)境溫度、光照度進(jìn)行數據采集，圖3所示是數據采集模塊電路圖。其中，DS18B20可實(shí)現-55～+125℃測量范圍及最高12位測溫分辨率，測溫精度可達±0.062 5℃，供電電壓范圍為+3～+5.5 V。本設計中供電電壓選擇來(lái)自L(fǎng)D1117穩壓芯片的+3.3 V輸出，數據線(xiàn)DQ和CC2530芯片的P2.0相連實(shí)現一線(xiàn)接口，如圖3(a)所示。5516光敏電阻的亮電阻為5～10 kΩ，暗電阻為500 kΩ，電路如圖3(b)所示，輸出電壓為0～2 V，送至P0.5進(jìn)行AD轉換。

3 節點(diǎn)軟件設計

節點(diǎn)軟件是在TI公司的ZigBee協(xié)議棧——Z-stack基礎上開(kāi)發(fā)設計的。該協(xié)議棧支持ZigBee網(wǎng)絡(luò )的建立和加入、自組網(wǎng)、多跳傳輸和動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )拓撲。

3.1 Z-stack協(xié)議棧的運行機制

OSAL是TI公司開(kāi)發(fā)的用于Z-Stack協(xié)議棧的一個(gè)輪轉查詢(xún)式的操作系統。OSAL把優(yōu)先級放在最重要的地位，優(yōu)先級高的任務(wù)中的所有事件都具有很高的優(yōu)先級，只要優(yōu)先級高的任務(wù)有事件沒(méi)有處理完，就一直處理，直到所有事件都得到處理，才去查詢(xún)下一個(gè)任務(wù)的事件。另外，即使當前在處理的任務(wù)中有兩個(gè)以上事件等待處理，處理完一件后，也要回頭再去查詢(xún)優(yōu)先級更高的任務(wù)。只有在優(yōu)先級更高的任務(wù)沒(méi)有事件要處理的情況下，才會(huì )處理原來(lái)任務(wù)優(yōu)先級第二高的事件。如果此時(shí)發(fā)現優(yōu)先級高的任務(wù)有了新的事件要處理，則立刻處理該事件。通過(guò)這種調度方式，就賦予了優(yōu)先級高的任務(wù)最大的權利，盡可能保證高優(yōu)先級任務(wù)的每一個(gè)事件都能得到最及時(shí)的處理。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)過(guò)程

ZigBee網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)過(guò)程包括網(wǎng)絡(luò )建立和加入網(wǎng)絡(luò )兩個(gè)方面，該部分是通過(guò)Z-Stack協(xié)議棧各層之間的原語(yǔ)通信實(shí)現的。協(xié)調器節點(diǎn)負責網(wǎng)絡(luò )的參數配置和建立，應用層通過(guò)ZDO層調用網(wǎng)絡(luò )層函數NLME NetworkFormationRequest()，在指定信道上進(jìn)行主動(dòng)掃描，即發(fā)送MAC層信標請求命令，探測該信道上已存在的網(wǎng)絡(luò );然后網(wǎng)絡(luò )層根據主動(dòng)掃描結果，設置PAN ID，網(wǎng)絡(luò )地址，擴展PAN ID等參數;最后通知各應用端點(diǎn)一個(gè)新的ZigBee網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)建立起來(lái)了口其網(wǎng)絡(luò )建立過(guò)程如圖4所示。

加入網(wǎng)絡(luò )有多種方式，通過(guò)連接來(lái)加入網(wǎng)絡(luò )，重新加入網(wǎng)絡(luò )，孤立點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )，預先配置加入網(wǎng)絡(luò )等。子節點(diǎn)通過(guò)連接方式加入網(wǎng)絡(luò )的過(guò)程圖如圖5所示。

子節點(diǎn)應用層通過(guò)ZDO層調用網(wǎng)絡(luò )層函數NLME_NetworkDiscoveryRequest()，在指定信道上進(jìn)行主動(dòng)掃描，然后監聽(tīng)一段時(shí)間看是否收到信標。通過(guò)多次發(fā)送MAC層信標請求命令，子節點(diǎn)可以知道周?chē)汛嬖诰W(wǎng)絡(luò )的有關(guān)信息，從而確定要加入網(wǎng)絡(luò )的PAN ID，然后通過(guò)NLME_Join Request()函數向要加入的節點(diǎn)發(fā)送MAC層連接請求命令。如果收到成功的MAC層連接響應命令，則可獲取父節點(diǎn)所分配的網(wǎng)絡(luò )地址。如果子節點(diǎn)是終端節點(diǎn)，則網(wǎng)絡(luò )加入過(guò)程到此完成。而如果子節點(diǎn)是路由節點(diǎn)，則子節點(diǎn)還需通過(guò)NLME_StartRouterRequest()函數啟動(dòng)路由器。無(wú)論子節點(diǎn)是傳感節點(diǎn)還是路由節點(diǎn)，最后都要將加入網(wǎng)絡(luò )的結果通知各應用端點(diǎn)。

協(xié)調器和路由器節點(diǎn)可以通過(guò)NLME_PermitJoining Request()函數決定是否允許子節點(diǎn)加入到自己的網(wǎng)絡(luò )，這樣可以方便地控制子節點(diǎn)加入到指定的一個(gè)路由節點(diǎn)中，從而實(shí)現多跳組網(wǎng)。

3.3 數據采集程序設計

采用DS18B20作為測溫元件，其硬件電路相當簡(jiǎn)單，但對于單片機來(lái)說(shuō)，為獲取一次溫度數據，需要先對其執行復位操作，發(fā)送ROM命令和RAM命令操作，啟動(dòng)溫度的轉換;等待溫度轉換完成后，再重復執行上述三步操作，才能實(shí)現溫度的讀取。根據DS18B20配置寄存器的不同，可分為9、10、11和12位的分辨率，所需轉換時(shí)間最小為93.75 ms，最大為750 ms。也就是說(shuō)，在啟動(dòng)溫度轉換后，必須等待較長(cháng)的時(shí)間才能進(jìn)行溫度的讀取操作。為了避免無(wú)謂的等待，本設計中將溫度的測量分為兩個(gè)事件：溫度的“轉換”和“讀取”事件。溫度采集時(shí)，可以設置一個(gè)“轉換”事件定時(shí)器。在處理“轉換”事件時(shí)，先向DS18B20發(fā)送溫度轉換命令，緊接著(zhù)設置一個(gè)“讀取”事件定時(shí)器，然后返回OSAL處理其他事件，從而保證系統能及時(shí)地響應其他事件。在處理“讀取”事件時(shí)，只需要直接讀取溫度，然后再次設置“轉換”事件定時(shí)器，實(shí)現周期性數據采集。溫度傳感器的“轉換”和“讀取”事件處理流程如圖6所示。

4 實(shí)驗結果分析

4.1 組網(wǎng)實(shí)驗

組網(wǎng)測試時(shí)，通過(guò)TI公司的CC2531UD USB DONGLE和SmartRF Packet_Sniffer軟件對空中無(wú)線(xiàn)數據包進(jìn)行抓包分析。子節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )過(guò)程中所抓到的數據包如圖7所示。子節點(diǎn)(IEEE地址為0x001248000201781D)先發(fā)出一個(gè)MAC層信標請求命令，接著(zhù)協(xié)調器節點(diǎn)(網(wǎng)絡(luò )地址為0x0000)發(fā)出了一個(gè)信標幀作為響應。然后，子節點(diǎn)又發(fā)出一個(gè)MAC層連接請求命令，接著(zhù)協(xié)調器節點(diǎn)返回一個(gè)應答幀。最后，子節點(diǎn)向協(xié)調器節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)MAC層數據請求命令，接著(zhù)協(xié)調器節點(diǎn)發(fā)出一個(gè)MAC層連接響應命令作為響應，為子節點(diǎn)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò )地址0x0001。通過(guò)數據包圖可見(jiàn)子節點(diǎn)已成功加入網(wǎng)絡(luò )。

4.2 數據采集實(shí)驗

實(shí)驗中，設定各傳感節點(diǎn)每隔2 s進(jìn)行一次數據采集，然后將采集數據經(jīng)過(guò)路由節點(diǎn)發(fā)送至協(xié)調器，協(xié)調器通過(guò)RS232串口將數據上傳給PC機，最終顯示的采集數據如圖8所示。圖8中的采集數據分別是節點(diǎn)號為10 650和10 120的2個(gè)傳感節點(diǎn)通過(guò)路由節點(diǎn)2 181(父節點(diǎn))發(fā)送至協(xié)調器的。實(shí)驗時(shí)人工測量溫度值為20.3℃，與采集到的數據基本吻合。

5 結語(yǔ)

基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)可以較好滿(mǎn)足各行各業(yè)對無(wú)線(xiàn)數字監測的需求。本文以CC2530和Z-stack協(xié)議棧為平臺，組建了一個(gè)多跳ZigBee網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現對環(huán)境溫度、光照度等數據的無(wú)線(xiàn)監測。實(shí)驗結果表明，本設計多跳組網(wǎng)成功，數據采集結果正確。