基于ZigBee的温湿度监测系统设计

柴世龙 刘 毅 张振虎

（沈阳建筑大学信息与控制工程学院，辽宁 沈阳110168）

0 引言

近年来，物联网技术得到了快速发展，与此相关的一些技术如RFID、无线传感器网络也得到了快速的发展。与此同时，各种无线传感器网络协议标准也日渐规范化，其中得到广泛应用和推广的一种协议就是ZigBee 2007协议[1]。其中ZigBee作为一种低复杂度、低功耗、低成本的低速率无线连接技术越来越被人们所重视[2]，如利用ZigBee技术开发的智能家居系统[3]、智能公交系统[4]、安防系统[5]、电子门锁[6]、智能牧场[7]等已成为业内的热点。本文依据ZigBee的相关特点设计了一种对环境温湿度进行实时监测的系统。

1 ZigBee技术的简介

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

总体而言，ZigBee技术具有如下特点：

（1）高可靠性

ZigBee联盟在制定ZigBee规范时已经考虑到这种数据传输过程中的内在的不确定性，采取了一些措施来提高数据传输的可靠性，主要包括：物理层兼容高可靠的短距离无线通信协议IEEE 802.11.5同时使用OQPSK和DASS技术；使用CSMA—CA技术来解决数据冲突问题；使用16-bits CRC来确保数据的正确性；使用带应答的数据传输方式来确保数据正确的传输目的地址；采用星型网络尽量保证数据可以沿着不同的传输路径从源地址到达目的地址。

（2）低成本、低功耗

ZigBee技术可以应用8-bit MCU，目前TI公司推出的兼容ZigBee 2007协议的SOC芯片CC2530每片价格在20-35元，外接几个阻容器构成的滤波电路和PCB天线即可实现网络节点的构建。

（3）高安全性

ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

（4）时延短

通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制应用。

2 温湿度采集系统的总体方案设计

2.1 温湿度采集系统设计框架图

协调器建立ZigBee无线网络，终端节点自动加入该网络中，然后终端节点周期性的采集温湿度数据，并将其发送给协调器，协调器收到温湿度数据，通过RS232串口将其输出到用户PC机。系统设计原理图如图1：

图1 系统设计原理图

2.2 无线传感网络节点设计

针对不同的应用，传感器节点的组成也不尽相同，但是它们的基本结构是一样的。主要包括采集单元、处理单元、传输单元、电源单元等4大部分组成,传感器节点的基本结构如图2：

图2 传感器节点的基本结构

3 温湿度采集系统的节点设计

3.1 协调器的程序设计

协调器的任务主要是组建ZigBee网络、允许终端节点加入网络、绑定终端节点、将温湿度数据传给PC机。协调器加电后，首先搜索信道，选定信道后将完成初始化和建立网络的任务，包括PAN ID的设定、协调器地址的设定和其他一些网络参数的设定。当有节点加入网络时，如果其发送的信息都正确，协调器将允许其加入网络，并分配给节点一个16位的短地址和相关的网络参数。如果协调器收到了节点的绑定请求，协调器要响应节点的绑定请求。对接收到的数据，在接收数据的同时，协调器还要通过通讯串口RS232将数据发送给PC机，来检测测量的结果是否符合设计要求。协调器的程序流程图如图3：

图3 协调器的程序流程图

3.2 终端节点的程序设计

终端节点的主要任务是进行加入网络、请求绑定、数据测量以及发送数据。

终端节点加电后，首先进行系统硬件初始化，包括微处理器初始化和CC2530初始化。通过一系列的初始化，完成节点的参数设置、寄存器设置以及工作模式的设置。初始化完成之后，终端节点搜索网络并发出请求加入信息，在接到协调器的允许加入网络信息后，按下绑定的按键，向协调器发送绑定请求。绑定的目的是让终端节点的地址信息出现在协调器的绑定表中，从而使终端节点和协调器关联起来，最后进入事件循环模式，节点定时查询有无事件发生，时间循环分为硬件、网络层、接入层、应用层等，均要查询各自的事件。本文的终端节点的事件主要是对定时器的设置，每隔一段时间要启动定时器，进行温湿度数据的采集，并把数据封装成数据包格式发送出去。在没有事情发生的情况下，系统进入低耗模式。终端节点的程序流程图如图4：

图4 终端节点的程序流程图

4 温湿度采集系统的测试

4.1 实验平台的组建

硬件平台：PC机一台、4个终端节点、1个协调器。

软件平台：IAR软件集成开发环境、ZigBee协议栈。

协调器采用持续电源供电，终端节点采用电池供电。以实验环境为背景，终端节点只与协调器通信。在PC机上安装IAR软件开发平台，通过仿真接口JATG将程序下载到CC2530中，协调器通过串口与PC机相连，把终端节点采集到的数据发送给PC机

4.2 数据传输及显示测试结果

在终端节点和协调器建立绑定关系后，终端节点会启动温湿度采集程序，终端节点周期性的采集数据，将数据发送给协调器，协调器通过串口发送给PC机，在PC机上显示出来。PC机上显示的结果如图

5：图5 显示的结果

结果显示，终端节点可以周期性的采集数据，并通过无线网络发送给协调器，在PC上显示出检测结果。

5 结论

本文基于新型低功率、低成本的ZigBee无线网络技术提出分布式温湿度检测系统的方法。该方法采用温湿度复合传感器芯片DHT11作为温湿度数据采集单元，采用符合ZigBee标准的CC2530射频芯片作为数据传送单元，实现了对环境温湿度的无线监测功能。测试结果表明，该系统能有效的采集环境温湿度数据，通过无线网络传送数据，周期性的在PC上显示出监测结果。

［1］ZigBee Alliance,ZigBee Specification Document 053474r17[S].2008.

［2］王小强.ZigBee无线传感器网络的设计与实现[M].北京：化学工业出版社,2012：1-75.

［3］南忠良,孙国新.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J].电子设计工程,2010,7.

［4］杨光,张万江.基于GPRS/GPS/GIS/Zigbee的智能公交系统设计[J].微型机与应用,2011,30(18)：89-91.

［5］刘敏,单志勇.基于ZigBee的小区无线安防系统设计[J].电子测量技术,2012,35(11)：28-31.

［6］Il-Kyu Hwang,Jin-Wook Baek.Wireless Access Monitoring and Control System based on Digital Door Lock[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2007,53(4)：1724-1730.

［7］Nadimi,E.S,Sgaard,H.T,Bak,T,Oudshoorn,F.W.ZigBee-based wireless sensor networks for monitoring animal presence and pasture time in a strip of new grass[J].computers and electronics in agriculture,2008,61(2)：79-87.