基于MSP430和CC2520无线温湿度监测系统设计

贵州电子信息职业技术学院电子工程系 严峥晖

一、引言

随着社会经济的发展，在很多场合需要对环境温湿度进行监测。传统方法大多采用有线连接方式，在各个监测点放置温湿度传感器，铺设光纤或者电缆构成有线网络。但是，当监测点较多情况下，布线繁琐、维护困难，系统的成本高、灵活性差。因此使用无线的方式进行数据的采集和传输是比较理想的，而基于ZigBee技术的无线传感器网络具有可快速部署、无人值守、功耗小、成本低等优点，十分适合于构建多点温湿度监测系统。

本文基于ZigBee协议设计了用于温湿度监测的无线传感器网络节点，采用超低功耗微控制器MSP430F2618和射频收发器CC2520构成节点的方案，在TI公司的免费协议栈Z-Stack基础上，构建了应用于无线温湿度监测的ZigBee传感器网络。

二、无线传感器网络与ZigBee协议

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量体积小、成本低，具备感知信息、数据处理、无线通信能力的微型传感器节点组成，各个节点以自组和多跳方式构成无线网络，能够实时监测、感知和采集网络分布区域中被感知对象的信息，并对信息进行处理后传输给感兴趣的用户。无线传感器网络在国防军事、环境科学、医疗健康、智能家居等方面具有广阔的应用前景，无线传感器网络的发展和应用将会给人类社会带来深刻的变革。

图1 温湿度监测系统结构图

图2 温湿度监测节点硬件图

ZigBee无线传感器网络是基于IEEE 802.15.4技术标准和ZigBee网络协议而设计的中短距离、低速率无线数据传输网络。ZigBee无线传感器网络的特点是：射频传输成本低，各节点只需要很少的能量；功耗低，适于电池长期供电；可实现一点对多点、两点间对等通信；具有快速组网自动配置、自动恢复和高级电源管理功能；任意个传感器之间可相互协调实现数据通信。ZigBee无线传感器网络具有广阔的应用前景，适用于工业控制、现代化农业监控、环境监测、数字家庭、智能楼宇控制等领域。

三、系统结构概述

ZigBee采用的网络拓扑结构有星型、网状与簇状。星型适合网络节点较少、网络结构简单、小范围的网络应用。网状和簇状结构属于点对点结构，支持Ad Hoc网络，可以构造更为复杂的网络结构。

ZigBee网络中，按照设备所具有的通信能力分为全功能设备FFD和精简功能设备RFD。根据设备在网络中承担任务的不同，可以分为网络协调器、网络路由器和网络终端。网络协调器和路由器由FFD组成，网络终端由RFD设备。其中网络协调器负责网络的建立与配置；网络路由器负责建立与维护路由、转发网络数据；网络终端功能较为简单，具有加入、退出网络，发送和接收网络数据。

本系统主要由一个温湿度数据采集器（网络协调器）和分布安装的温湿度监测节点（网络终端）组成一个星型网络结构。数据采集器通过发送命令字使分布在各处的监测节点与其同步，控制监测节点周期性地进入低功耗状态以省电。监测节点将实时的温湿度值通过ZigBee网络信道传送给数据采集器，再通过串行通信接口或者以太网与PC连接，从而实现各监测点温湿度的实时采集。温湿度监测系统结构如图1所示。

四、网络节点设计

监测节点由传感器单元、处理器单元、无线通信单元与能量供应单元组成。本设计中采用数字温湿度传感器SHT11构建传感器单元，负责监测区域内温湿度信息的采集；采用16位低功耗微控制器MSP430F2618构建处理器单元，负责处理和存储采集的数据；采用TI公司的低功耗射频收发器CC2520构建无线通信单元，负责与数据采集器进行无线通信；能量供应单元使用微型纽扣电池为监测节点提供运行所需能量。温湿度监测节点硬件框图如图2所示。

图3 数据采集器与温湿度监测节点的软件流程

1.温湿度传感器SHT11

SHT11是单片集成化数字温湿度传感器，将传感元件和信号调理电路集成于芯片内部，输出完全标定的数字信号，采用I2C总线通信。采用该传感元件可以节省A/D转换器件、减少微控制器端口的占用，具有电路结构简单、检测准确、稳定性好、成本低以及性价比高等优点。

2.微控制器MSP430F2618

TI公司MSP430系列微控制器是超低功耗、16位RISC混合信号处理器，该系列芯片专为低功耗应用而精心设计，很适合用于长时间电池供电的场合。MSP430F2618非常适合在低功耗ZigBee网络中工作，该芯片集成了120KB的片上存储器，支持20位地址字，从而可以支持较复杂程序的开发。具备1.8~3.6V的宽泛工作电压范围，0.5μA的待机功耗，灵活的时钟架构可使设计人员能根据应用调整处理器速度与工作电压，从而优化电池的使用寿命。

3.射频收发器CC2520

TI公司的CC2520是第二代的ZigBee/IEEE802.15.4射频收发器，主要用于企业、科学研究与医疗部门等的2.4GHz免费频段，具有较高的灵敏度和共存性能、极高的连接性能，并可低电压工作。同时，CC2520为各种应用提供了广泛的支持，包括帧处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、数据认证、空闲通道评估、链接质量指示以及帧定时信息等，从而减轻了处理器单元上的负载。

4.数据采集器（网络协调器）

数据采集器承担着组织管理网络和收集监测节点的数据并上传给PC机的任务，是一个ZigBee全功能设备，根据监测节点数量的不同，所需要的资源也有所不同。本设计中由于监测节点数量不多，所以数据采集器硬件设计相对简单，在监测节点硬件的基础上去除传感器单元，配备RS-232接口以便与PC机连接，其他与监测节点硬件结构相似，但由于使用了稳定的电源供给，毋须考虑功耗的问题。

五、组网与通信

ZigBee/IEEE802.15.4标准分层架构参照OSI七层模型的基础上根据实际应用需要来定义，分层结构中各层为上一层提供一系列服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体提供其它服务。IEEE 802.15.4负责介质访问控制层和物理层的定义，ZigBee联盟在此基础上制定了网络层和应用层的框架结构。ZigBee技术的应用可以独立完成全部ZigBee协议软硬件的开发，实现应用系统与ZigBee网络的无缝连接；也可以使用支持IEEE 802.15.4协议的无线模块，自行开发ZigBee协议的网络层和应用层软件，实现与系统其他部分的整合；也可以购买带有完整ZigBee协议的无线模块，或者通过免费的协议栈工具，实现ZigBee网络的构建。

本设计基于通用性及便于开发的考虑，采用了TI公司免费的ZigBee协议栈Z-Stack，它是一个多平台、全功能的协议栈，包括基于CC2520射频收发器以及MSP430F2618超低功耗微控制器的平台。Z-Stack协议栈采用事件轮循机制，基于操作系统的思想来构建，系统初始化后按优先级查询是否有就绪任务事件，存在就绪任务事件则调用任务事件所对应的处理函数，执行完所有就绪任务事件后进入低功耗模式。Z-Stack提供了大多数任务事件处理函数，用户只需根据实际需要编写应用层的任务事件处理函数即可，而不需要大范围地改动Z-Stack协议的代码。

数据采集器通电后初始化协议栈，选择合适的信道，允许ZigBee设备与其连接；温湿度监测节点通电初始化后，进行信道扫描，寻找数据采集器并与其建立连接。ZigBee网络建立后，监测节点周期性采集温湿度数据，通过无线信道传送给数据采集器。数据采集器接收到各个监测节点的温湿度数据后通过串口传输给PC机，然后通过PC机上的应用程序将采集的温湿度数据按监测节点的位置分别进行处理、显示与记录。数据采集器与温湿度监测节点的软件流程如图3所示。

六、结语

本文基于免费的ZigBee协议栈Z-Stack，采用超低功耗微控制器MSP430F2618和射频收发器CC2520构建的无线温湿度监测系统，具有网络节点体积小、功耗低，并具备良好的兼容性，便于灵活组网，满足监测系统长时间连续工作的要求。通过实验测试，该系统达到了设计要求，具有良好的实用性和稳定性，还能够根据实际需要拓展监测参数与增加监测节点，可广泛地用于环境监测应用领域。

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