基于ZigBee協(xié)議的溫濕度監測系統設計與實(shí)現

環(huán)境溫濕度是影響工農業(yè)生產(chǎn)的重要因素，而傳統的溫濕監測系統多以人為主體，不僅費時(shí)費力，且在某些監測系統中，危險系數也較高。近年來(lái)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )對工農業(yè)生產(chǎn)環(huán)境實(shí)時(shí)地監測、監控已成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)。由于采用了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，使得數據采集系統的設計更加安全、可靠和智能化。ZigBee作為一種低功耗、低成本、易于開(kāi)發(fā)和應用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，被廣泛應用于無(wú)線(xiàn)數據采集系統的設計中。但實(shí)際應用中，基于ZigBee的數據采集系統仍不同程度的面臨以下問(wèn)題：傳輸距離短;可擴展性差，若終端節點(diǎn)增加其他用途的測量傳感器，多需重新設計連接電路;為增加傳輸距離而引入的射頻前端占用主控芯片的引腳資源等。

為實(shí)現對工農業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)、準確地監測，及時(shí)為生產(chǎn)策略的調整提供更多、更具價(jià)值的數據分析依據，文中設計了以CC2530和RFX2401C為射頻單元、SHT 71為傳感節點(diǎn)的ZigBee監測網(wǎng)絡(luò )。

1 系統設計

該監測系統主要由一個(gè)直接與上位機相連的ZigBee協(xié)調器，兩個(gè)SHT71傳感器數據采集節點(diǎn)組成。為實(shí)現ZigBee數據采集網(wǎng)絡(luò )，分別進(jìn)行系統的軟硬件設計：系統硬件主要負責采集周?chē)h(huán)境的溫濕度數據信息;系統軟件則負責數據信息的傳遞與處理等功能。

2 系統硬件設計

協(xié)調器和傳感器終端節點(diǎn)的核心為CC2530F256芯片。CC2530F256是TI公司生產(chǎn)的一款片上系統(System On a Chip，SOC)解決方案，應用于2.4 GHz頻段，支持IEEE802.1 5.4、ZigBee和RF4CE。該芯片結合了領(lǐng)先的RF(Radio Frequency，RF)收發(fā)器的優(yōu)良性能、工業(yè)增強型8051 MCU內核、系統內256 kB可編程閃存Flash、8 kB RAM、支持CSMA/CA功能、多種工作模式以滿(mǎn)足低功耗系統的需求。CC2530芯片系列尺寸更小，價(jià)格普遍低于CC2430/CC2431芯片，傳輸距離更遠，支持目前普遍使用的ZigBee-2007/PRO協(xié)議。Zig Bee 2007/PRO相對于以前的協(xié)議棧具有更好的互操作性、節點(diǎn)密度管理、數據負荷管理、支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )等特點(diǎn)。同時(shí)，與CC2430相比，CC2530片上通用I/O口，均具有獨立的中斷請求能力，設計者可自定義中斷請求引腳?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，運用CC2530設計出的節點(diǎn)通信距離更遠，組網(wǎng)性能更穩定可靠，且性?xún)r(jià)比更高，適用于系統設計。但CC2530本身具有的射頻功能只適用于小功率傳感網(wǎng)絡(luò )，為增加節點(diǎn)的傳輸距離，采用RFX2401C作為射頻前端，以放大輸出功率。RF射頻模塊電路如圖1所示。RFX2401C只需2個(gè)控制引腳，P1.1和P1.4，RXEN為高電平時(shí)，TXEN決定數據的收發(fā)。與采用CC2591的射頻前端放大電路相比，連接、控制簡(jiǎn)單，節省引腳資源。在室外測試環(huán)境中，引入RFX2401C的ZigBee網(wǎng)絡(luò )，通信距離平均增加了約60 m。

2.1 協(xié)調器節點(diǎn)硬件設計

協(xié)調器為全功能設備(Full Function Device，FFD)，是ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò )的中心，負責網(wǎng)絡(luò )的組建、維護、管理及協(xié)調各傳感器節點(diǎn)的工作。協(xié)調器節點(diǎn)硬件電路主要由RF射頻模塊、RS232串口模塊和電源模塊組成。射頻模塊如圖1所示，主要負責無(wú)線(xiàn)傳輸數據，增加RFX2401C芯片以提高傳輸距離，P0.2、P0.3用作串口通信引腳;RS232串口模塊用于協(xié)調器與上位機通信，使用SP3223E完成RS232與TTL間的電平轉換，電路連接如圖2所示;5 V電源通過(guò)TPS79533低壓穩壓器輸出穩定的3.3 V工作電壓，對ZigBee射頻模塊和SP3223E供電。

2.2 傳感器節點(diǎn)硬件設計

傳感器節點(diǎn)多為簡(jiǎn)化功能設備(Reduce Function Device，RFD)，其功能簡(jiǎn)單，無(wú)需進(jìn)行復雜的數據處理，且接口外設較少。該節點(diǎn)的射頻模塊設計與協(xié)調器節點(diǎn)相同，采用的傳感器為數字溫濕度傳感器SHT71。SHT71內部包括電容式聚合體測濕部件及能隙式測溫部件、校驗存儲器等，與一個(gè)14位的A/D轉換器和二線(xiàn)雙向串行接口電路在同一芯片上實(shí)現無(wú)縫連接。默認測量分辨率為14 bit(溫度)、12 bit(濕度)，在高速或超低功耗的應用中可將分辨率分別降至12 bit和8 bit。該傳感器工作性能穩定、可靠，與MCU之間以二線(xiàn)雙向串行接口方式通信，連接電路如圖3所示。此外，電源引腳(Vdd，GND)之間還封裝了一個(gè)100 nF的去耦濾波電容。

SCK用于MCU與傳感器之間的同步通信，DATA三態(tài)門(mén)用于數據的讀取。通過(guò)“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序，完成數據傳輸的初始化工作，然后通過(guò)傳輸相應的命令指定SHT71的工作方式。測量過(guò)程為：微控制器先發(fā)一組測量指令，SHT71測量完成后，下拉DATA至低電平表示測量結束，接著(zhù)傳輸2個(gè)字節的測量數據和1 Byte的CRC奇偶校驗，其測量時(shí)序如圖4所示。

實(shí)驗中，電源電壓為5 V，溫濕傳感器的分辨率分別為12和8位。由于SHT71內部溫度傳感器的線(xiàn)性度較好，直接利用式(1)計算實(shí)際溫度值T

T=d1+d2·SOT (1)

其中，d1=-40，d2=0.04，SOT為溫度測量值。而濕度傳感器的線(xiàn)性度較差，為補償濕度傳感器的非線(xiàn)性以獲取準確數據，采用式(2)修正輸出數值RHline

c1=-4，c2=0.648，c3=-7.2×10-4，SORH為濕度傳感器相對濕度測量值。在測量與通信結束后，SHT71自動(dòng)轉入休眠模式，以減少能耗。

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議由IEEE802.15.4定義的物理層(PHY)、媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)、ZigBee聯(lián)盟定義的網(wǎng)絡(luò )層(NWK)、應用層(APL)及安全協(xié)議規范組成。協(xié)議?？蚣苋鐖D5所示。

ZigBee支持星型、樹(shù)形和網(wǎng)狀型3種拓撲結構。在星型網(wǎng)絡(luò )中，所有的終端設備均只與協(xié)調器通信，不同終端的數據交換需通過(guò)協(xié)調器實(shí)現，故星型網(wǎng)為單跳網(wǎng)絡(luò )。樹(shù)形和網(wǎng)狀網(wǎng)具有在網(wǎng)絡(luò )間對數據包路由的功能，因而為多跳網(wǎng)絡(luò )。為簡(jiǎn)化設計，實(shí)驗室中以協(xié)調器為中心，組建星型網(wǎng)絡(luò )。

軟件設計上，采用符合ZigBee2007規范的ZStack-2.3.0協(xié)議棧，可兼容CC2530片上系統解決方案;開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR EW，使用C語(yǔ)言編寫(xiě)應用程序。ZStack協(xié)議棧中嵌入了OSAL(Operating System Abstraction Layer)多任務(wù)操作系統，以便于對ZigBee協(xié)議進(jìn)行管理。當某事件時(shí)間發(fā)生后，OSAL根據事件類(lèi)型將其分配給能處理該事件的具體任務(wù)，并對事件加以處理。

協(xié)調器負責ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的組建。通電后，分別對硬件模塊和OSAL初始化。在周?chē)臻g進(jìn)行能量檢測和信道掃描，選擇一個(gè)合適的信道組建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。為網(wǎng)絡(luò )分配一個(gè)PANID標識，并為該ZigBee協(xié)調節點(diǎn)分配一個(gè)16位網(wǎng)絡(luò )短地址(默認為0x0000)。在組網(wǎng)成功后，接收傳感器節點(diǎn)的入網(wǎng)請求并為其分配網(wǎng)絡(luò )地址、接收傳感器節點(diǎn)發(fā)送的溫濕度數據信息及上位機的控制命令等。協(xié)調器主體工作流程如圖6所示。

傳感器終端節點(diǎn)主要負責溫濕度的采集。初始化后掃描空間中是否有ZigBee網(wǎng)絡(luò )存在，若有，則申請加入，并周期性發(fā)送溫濕度測量數據給協(xié)調器，其工作流程如圖7所示。

3.2 上位機監控界面

在Microsoft Visual Stdio 2010開(kāi)發(fā)平臺中，利用C#/.NET。開(kāi)發(fā)上位機用戶(hù)監控界面。傳感器節點(diǎn)采集的數據以ZigBee無(wú)線(xiàn)方式傳遞給協(xié)調器，再由協(xié)調器遞交給上位機處理和顯示。圖8為溫濕度實(shí)時(shí)監測界面，橫軸為測量時(shí)間，縱軸為SHT71采集的數據。突變處是人為干預時(shí)產(chǎn)生的現象?？梢?jiàn)，SHT71有較好的靈敏度及穩定性。

4 結束語(yǔ)

文中利用CC2530和SHT71，設計并實(shí)現了可對溫濕度進(jìn)行無(wú)線(xiàn)采集的監測系統。在射頻前端加入RFX2401C功放單元，有效增加了傳輸距離。系統將傳感器終端節點(diǎn)采集的溫濕信息經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò )傳遞給上位機存儲和實(shí)時(shí)顯示，便于生產(chǎn)人員分析處理。設計中，由于采用星型單跳網(wǎng)絡(luò )，ZigBee網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍小，可加入的傳感器節點(diǎn)數目有限，滿(mǎn)足實(shí)驗中的應用要求，而應用在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中可能存在一定限制。下一步研究的重點(diǎn)是在傳感器節點(diǎn)增加路由功能或引入有路由功能的RFD，組建網(wǎng)狀或樹(shù)形網(wǎng)絡(luò )，增加ZigBee網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍。另外，設計擁有更多功能的傳感器節點(diǎn)，以采集多種類(lèi)型的環(huán)境因子，使系統更具實(shí)用價(jià)值。