基于Zigbee的水产养殖温度监控的设计与实现

陈集炎，吕晓峰，韦江华，曾 源

（1.广西科技大学 计算机科学与通信工程学院，广西 柳州 545006；2.宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西 宝鸡 721016）

在近代以及目前发展的无线通信技术中，Zigbee技术发展越来越广泛。以Zigbee无线传感网络方式构建的新一代通讯网络，在现代生活中已经得到了广泛的应用。目前开发的短距离无线通信技术中，无线传感网络可以说是一种具有很大的实用价值通信技术。对于目前追求低功耗、成本低的无线传感网络是非常适宜的。本课题主要研究利用最新的Zigbee无线传感网络水产养殖环境温度进行采集传输，以达到实时远程监控。课题研究内容包括：终端传感节点采集养殖场的实时温度，处理后将无线发送给协调器，协调器再通过串口传输给上位机终端显示并预警。

1 关键技术及协议

1.1 ZigBee无线技术简介

ZigBee技术的研发是以IEEE802.15.4为基础，Zigbee技术的研发主要是关于安全、组网和应用软件。第一份ZigBee规范“ZigBee Specification V1.0”于2005年Zigbee联盟公布。该联盟定义的标准定义了IEE802.15.4的媒体访问控制层与物理层的支持与网络上的应用服务。ZigBee无线通信技术具有以下特点：

1.1.1 成本低功耗低

Zigbee频段是免费使用的，无需缴纳专利费，而且Zigbee协议栈的源代码是开元的，此外，Zigbee射频芯片价格低廉，这极大了降低了研究成本。芯片供电3.3 V的供电可以满足，在节点设计上，一个节点工作半年时间也只需要2节5号干电池提供电源。Zigbee具有工作周期长的优势，是目前WIFI、蓝牙等无线技术无可媲美的。

1.1.2 速率低延时短

对于低速率数据传输的应用要求，Zigbee在2.4 GHz提供的的数据吞吐率为250 kbps，传输速率在20～250 kbps之间。目前的蓝牙技术与WIFI技术从睡眠转入工作状态需要3～10 s和 3 s，而 Zigbee 只需要 15ms，相对而言，Zigbee 的响应速率是比较快的。

1.1.3 距离短容量高

Zigbee无线传输在视距理论上是100m，而增加路由节点可以增长传输距离。Zigbee可以进行多节点组网，最多可以设计65000个节点，每一个中心节点汇聚若干个254个节点，并且可以由高层节点向下层节点进行管理。在Zigbee整个传感网络中，我们可以采用星状、片状和网状等网络结构进行组网。

1.1.4 安全高免费照频段

ZigBee在无线通信技术中具有很高的安全性，其具有三级安全模式：采用高级加密标准（AES 128）的对称密码、使用访问控制清单（防止非法获取数据）及无安全设定。2.4 GHz是全球免费工业、医疗、科学使用频段。2.5 GHz频段的信道带宽为5 MHz，具有16个信道。

2 总体设计方案

我国水产养殖正在往集中型的大规模养殖发展，针对有规模的水产养殖，Zigbee的无线监控系统可以发挥很大作用。通过在养殖场的分布温度传感节点，传感节点可以实时监测水温，经无线协议传输给协调节点，距离远的节点可以通过添加路由节点以达到远距离的温度传输。协调节点在通过组网接收到各传感节点的数据后经过串口传输给PC机，供上位机显示和预警。

设计中，主要有传感节点、路由节点和协调节点组网组成系统，进行无线传输，其中路由节点和传感节点的低功耗可以进行电池供电，协调节点直接连接监控端可由监控端供电。

2.1 芯片选择

本设计选用的Zigbee芯片为TI公司的CC2530，CC2530是目前Zigbee设计运用中使用最多的无线射频芯片，它是目前一个真正用于IEEE802.15.4协议标准，RF4CE以及Zigbee应用的片上系统（SoC）解决方案。CC2530内核结合了增强型的8051 CPU，同时具有8KB RAM，其系统可以编程闪存。在设计发展中，CC2530设计上有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。它是目前同类芯片中能够以非常低的硬件成本设计建立一个庞大的无线节点网络。同时，为了适应不同功耗要求，CC2530也设计有不同的运行模式，满足低功耗要求，在主动模式即CPU空闲时，接收时电流为24 mA，发送时电流为29 mA；供电电压范围为2～3.6 V。在满足低功耗的同时，它在不同模式的转换时间也非常短。

2.2 温度传感器

DS18B20是一款常用的，可以应用于多场合的温度传感器，防水型的封装可以在潮湿、水浸、腐蚀等环境下使用，精度也高，可满足设计要求。其性能特性为：DS18B20在实现与微处理器双向通信时只需要一条口线连，这种单线接口方式的独特设计，非常便于设计应用；正常测温有误差，一般为1℃，在非极限测温范围 －55℃～+125℃，具有一定的精确性；可以进行多点组合功能，可以最多八个DS18B20可以并联在唯一的三线上，从而实现多点测温（不能过多的原因是并联多会使电源的供电电压低，影响数据信号的的不稳定传输；适用于DN15～25，DN40～DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温；在设计使用中不需要任何外围元件便可以完成设计；测量结果以串行方式进行9到12位数字量的方式传送；工作电源:3.0～5.5V/DC。

3 硬件系统设计

3.1 协调器节点设计

ZigBee协调器主要用于建立网络并组网管理节点，其电路设计包括：一个CC2530芯片处理模块、一个串口模块、一个JTAG接口/复位模块、一个电源模块、LED指示灯模块等，结构如图1所示。

图1 协调器节点结构Fig.1 The coordinator node structure

电源模块：Zigbee模块工作电压为3.3 V，外部供电为5 V输入，需要AMS1117—3.3电源稳压芯片进行稳压。

串口模块：下载程序和调试通信两个作用，采用MAX232做RS232电平与TTL电平的转换芯片，MAX232有两路电平转换。

3.2 路由节点设计

路由节点作用于协调器与传感节点之间，以达到更远距离的传输，其工作主要由协议完成，电路设计只需外接LED指示灯、复位电路以及电源接入即可。路由节点结构如图2所示。

图2 路由节点结构图Fig.2 Routing node structure diagram

3.3 传感节点设计

传感节点主要用于检测水温，并无线发送给处理端，电路设计主要测温模块、复位模块、LED指示模块、电源模块。传感节点的结构如图3所示。

测温模块：测温传感器为防水型的DS18B20，其输出为数字量，只需要一条线就可以实现与处理器的通信。电路设计如图4所示。

图3 传感节点结构图Fig.3 The sensor node structure diagram

图4 测温模块Fig.4 The temperaturemeasurementmodule

4 软件系统设计

4.1 软件系统的总体结构

本设计采用的组网的网络拓扑结构为树形结构，主要由协调节点、路由节点、传感节点组成。传感节点负责采集数据并发誓给协调节点，路由节点主要为远距离的传感节点转发数据给协调节点，协调节点将接收的数据再上传给PC机。系统的流程图如图5所示。

图5 系统的流程图Fig.5 Flow chartof system

4.2 协调器软件设计

协调器主要负责建立传感网络和管理网络，为加入传感节点分配地址，其启动工作流程图如图6所示。

图6 协调器工作流程图Fig.6 The coordinatorwork flow chart

4.3 路由节点软件设计

路由节点负责为传感节点的数据转发。其流程图如图7所示。

5 上位机设计

本系统上位机设计为VB语言设计，Visual Basic是目前一种应用于图形界面比较多的开发语言，它衍生于BASIC编程语言。VB用有快速应用程序开发和图形用户界面开发系统，它是微软开发的，用于协助开发环境的驱动编程语言。在现在的使用标准来说，VB是目前世界上使用者对多的语言，在目前图形化界面开发来说，VB是比较好的开发语言较容易应用ADO、DAO、RDO轻松创建ActiveX控件和连接数据库。对于想快速建立一个应用程序，VB将会是一个很好的选择。本设计的上位机制作，VB是一个很好的选择。上位机设计如图8所示。

图7 路由节点流程图Fig.7 Routing node flow chart

图8 上位机设计Fig.8 Design of host computer

6 结束语

采用的是基于Zigbee的温度监控设计，测温用的是防水型的DS18B20数字温度传感器。通过DS18B20传感器进行温度检测，输出数字量，CC2530数据处理模块进行处理后无线发送给协调端节点，协调端节点再通过串口传输给监控端，完成系统的监控工作，为了进一步提高性能，系统有优化和改进的空间。

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