基于Zigbee的温度湿度监测系统的研究

摘要：根据一些环境温度湿度实时监测的需要，采用首个符合Zigbee标准的CC2430射频芯片，以SHT10为温湿度传感器来设计实现温度湿度的数据采集与传输。利用TI公司的Z—Stack协议栈在IAB开发环境下，建立一个无线传感器网络。网络协调器通过RS232串口与PC通信，实现对温度湿度的无线智能监测。
关键词：Zigbee；无线网络；CC2430；温度湿度监测

    在生命科学设施、计量校准实验室和电子制造环境，温度和湿度往往需要监测和报警显示，以保障产品和工艺；在农业种植、环境监测和我们的日常生活中，要时刻关心环境变化，只有在适宜的温度和湿度下，才能获得更大的效益。以往的测温测湿系统都是通过CAN或RS485等有线方式传送数据，线路复杂布线困难，成本高，老化、容易受雷击等问题影响了其可靠性。另外，像温度、湿度传感器这样的设备并不需要很大的功耗和数据传输速率。Zigbee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用。
    Zigbee技术有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现网络通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，它们的通信效率非常高。无需布线，可以按照需要增减温度湿度采集节点，自组织网络，并且节点功耗低，生命周期长，使用灵活方便。因此，采用Zigbee技术来设计温度湿度监测系统，具有明显的实用价值和现实意义。

1 Zigbee技术及协议栈
    Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低成本无线网络技术，是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台。Zigb ee协议栈对那些涉及Zigbee的层予以定义。IEEE 802．15．4标准定义了最下面的两层：物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)。Zigbee联盟提供了网络层和应用层框架的设计，其中应用层的框架包括了应用支持子层(APs)、设备对象层(ZDO)和由制造商制订的应用对象。Zigbee支持的设备类型包括FFD(全功能设备)和RFD(半功能设备)。FFD可以和FFD和RFD通信，可以为PAN协调器，路由器和终端设备。RFD只能和FFD通信，只能作为终端设备。在IEEE802．15．4物理层和MAC层基础上，Zigbee网络层提供了一些功能，比如动态网络的建立、地址、路由和发现
一跳的邻居节点等。

2 系统的组成
    该监测系统由Zigbee协调器、Zigbee路由器、若干个SHT10温湿度传感器组成的树状网络结构图。其中，传感器节点分布于需要监测的区域，负责对数据的感知和处理，并通过无线射频信号发射给路由器，再通过路由器的转发将数据传给协调器，最终通过RS232串口将数据送入监控主机，监控主机放在监控室，负责数据存储和对数据的进一步处理。Zigbee网络中，每个设备拥有两个地址：一个是64位IEEE物理地址，每个节点拥有全球唯一的MAC地址，另一个是所在PAN里独有16位网络地址，也称短地址。网络地址是在节点加入网络时，由其父节点分配给它的。协调器在建立网络后使用0x000作为自己的短地址。路由器和终端加入网络后，使用父设备给它分配的短地址来通讯。工作人员无需到现场，通过查看网络地址即可知道哪一点传来的数据，这样既方便快速又可集中查询、管理数据。

3 硬件设计
    为了便于系统功能扩展，节点采用模块化设计，分为核心板、底板、传感器模块3个部分。核心板负责传感器的驱动以及数据的传输工作。它的主控芯片是CC2430[4]，是一款真正符合IEEE802．15．4标准的片上Zigbee产品，具有超低功耗、高灵敏度、出众的噪声及抗干扰能力。核心板即为CC2430单片机的最小系统板，它将CC2430单片机的P0口、P1口和P2_0-P2_2全部引出，满足模块化设计的需求。由于CC2430在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。内部集成了大量必要的电路，因此采用较少的外围电路即实现信号的收发功能，如图1所示。

    底板一方面连接核心板与传感器模块，在传感器与芯片之间进行数据传输，另一方面为整个模块供电和节点与PC机之间通信的接口，主要由电源电路、单片机接口电路、复位电路等组成。系统中CC2430芯片需要的电源是3．3 V直流稳压电源，而我们常用的电源电压是5 V，所以需要用DC—DC直流转换器1117—3．3将5 V直流电转换为3．3 V直流电，以供系统正常工作需求。电源模块电路如图2所示。

    传感器模块采用温湿度传感器SHT10，负责采集温度、湿度数据，其工作电压为2．4～5．5 V，测湿精度为±4．5％RH，25℃时测温精度为±0．5℃。由于传感器SHT10既可以采集温度数据也可以采集湿度数据。它用两条串行线与处理器进行数据通信，SCK数据线负责处理器和SHT10的通讯同步；DATA三态门用于数据的读写。将模拟量转换为数字量输出，所以用户只需按照它提供的接口将温湿度数据读取出来即可。数据采集完成后Zigbee无线通信芯片将数据经路由器传输到协调器，这样温湿度采集节点便完成了一次工作周期。本设计中CC2430的引脚P0_0用于连接SCK，P0_4用于连接DATA。

4 系统软件设计
    本系统软件设计基于TI公司推出的CC2430芯片配套的Z—Stack协议栈和IAR集成开发环境。在TI免费协议栈的基础上，通过修改其应用层来实现不同的功能。一般情况下，我们只需要添加三个文件就可以完成一个项目，一个是主文件，存放具体的任务处理函数，一个是这个主文件的头文件，另一个是操作系统接口文件，专门存放任务处理函数数组tasksArr[]的文件。无需改动Z—Stack核心代码，大大增加了项目的通用性和易移植性。我们把Coordinator、Router和End Device这三种设备一起添加到项目中，在“project==>edit configurations”中，分别建立“Coordinator”“Router”及“EndDevice”三种设备的项目设置。无线传感器网络代码包括协调器代码、路由器代码、传感器节点代码。这些代码都在同一个工程文件中，通过条件编译的方式将代码分成不同的功能。
4．1 协调器节点设计
    在一个Zigbee无线网络中，协调器作为网络的中心节点最先启动。复位上电以后，首先进行系统初始化。完成之后，就会扫描DEFAULT_ CHANLIST指定的信道，最后选择一个合适的信道建立网络，等待有子节点加入时，就会发出入网响应。子节点加入网络成功后，协调器接收到传来的数据包，解析出数据源的短地址、温度和湿度值并将其传送给PC显示出来。其流程图如图3所示。

4．2 子节点设计
    路由器和终端设备启动后，将扫描DEFAULT_CHANLIST指定的频道。首先进行初始化，然后申请加入网络成功之后，通过JionAsRouter= TRUE?判断是否为路由器。如果是，则等待终端设备传来的温湿度数据，接收后再转发给协调器。如果是终端设备，传感器节点在不同工作模式下功耗大不一样，为了降低功耗，它平时应该处于休眠模式，被唤醒后才将数据发给父节点，发送完后再次进入休眠模式。通信协议应该简单有效，发送节点信息时使用短地址发送，使得节点的运算开销尽量小，这样可大大延长节点的寿命。子节点通信流程如图4所示。

    传感器节点每隔一段时间采集一次温度、湿度值，然后把数据打包传输给父节点，如果传输成功，节点进入休眠状态；如果传输不成功，就再重新采集数据传输数据，直到成功为止。温湿度传感器烧写步骤：在项目的应用层(APP)中添加Humidity．c和Humidity．h文件，然后在操作系统接口文件OSAL_SampleApp．c中的任务数组tasksArr[]添加任务函数osalTaskAdd(Humidity_Init，Humidity_ProcessEvent，OSAL TASK_PRIORITY_LOW)，最后运行程序没有错误后，把程序烧写到传感器节点即可。
4．3 低功耗设计
    为了使节点有更长的生存时间，对传感器节点进行休眠设置。CC2430芯片采用0．18 μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式时间超短，不会产生很大的时间延迟。Z—Stack提供了两种sleep模式，LITE和DEEP(PM2／PM3)。PM2模式比较省功耗而且可以被定时唤醒；PM3模式最省电但是只能被外部中断唤醒。系统在进入低功耗模式前，必须保证没有需要处理的消息或其他事件。当系统需要周期性地唤醒执行一些事件时使用PM2模式，如果当前没有任务那么将进入PM3模式。开启休眠模式如下：首先确认在配置文件f8wConflg．cfg中的DRFD_RCVC_ALWAYS_ON定义为FALSE；第二步，在IAR的Optio ns->C／C++Compiler->Defined symbols中添加编译选项POWER_SAVING；第三步，在Options->Linker->Linker command line里面把8w2430. xel改为f8w2430pm．xel；第四步，查看是否进去低功耗模式，在osal．c文件中osal_start_system()中以下部分加断点，看是否进入。
   

5 测试结果
    采用一个协调器、一个路由器和3个温湿度传感器节点测试，各个节点与协调器相距大约50米。首先打开电源，待协调器建立网络之后，路由器和终端节点就开始申请加入网络。等待底板上的信号指示灯闪烁后，就表明有节点成功加入网络，终端节点开始周期性地采集周围环境的温度湿度值。采集一次数据后，指示灯熄灭，说明此时终端节点进入低功耗模式。协调器通过RS232与PC相连，通过串口调试助手显示数据，设置波特率为115200b／s，无校验位，8位数据位，1位停止位。某一时刻采集到各点的温度湿度值如图5所示(小端格式十六进制显示)。根据SHT10数据手册，实际温度=0．04x温度值-39.6，实际湿度=-4++0.648x湿度值-7.2x10-4×湿度值2，经计算实际温度约为27.5℃，实际湿度约为51．6％RH。

6 结束语
    文中以CC2430为核心实现了温度湿度监测系统的设计，在传感器SHT10的配合下，完成了对环境温度湿度的无线监测。在硬件方面为模块化设计，具有扩展性，加上相应的传感器可以测其他因素如光照、气体浓度等，可以监测更多的环境因素；软件方面简化通信协议，并使终端休眠，降低了其功耗，延长了节点使用寿命。在使用过程中可以通过在Zigbee协调器及路由器上添加TI公司的2．4 GHZ射频前端CC2591来增加网络的覆盖范围，或者增加GPRS模块来进行更远程的无线监测。实用性高，可扩展性强，可广泛应用在仓储系统、中央空调系统、温室大棚、精密仪器的实验室和温度湿度条件要求严格的环境中，市场前景广阔。