基于ZigBee的监控系统的设计

熊万

摘要：随着科技的发展，无线通讯技术逐渐应用于社会的各个领域，ZigBee技术便是一种较新的技术，应用于短距离的无线通信。

关键词：zigbee；CC2530；智能监控；无线传感器网络

引言

如今的社会正在逐步的走向智能化，不论是在工业方面还是在家庭设备上。同时在生产和生活方面一些外界的因素也起着决定性的因素，例如温度，湿度，光照强度以及气体浓度等都起着主导地位。因此就需要在这方面安装检测设备来对其进行实时的监控，并且能在指标超出规定的范围時进行报警并作出相应的处理。由于需要检测的点很多，如果用传统的有线传输不仅费用很高，而且也不易安装和维护。因此我们可以用ZigBee实现这一监控系统的设计，其成本低廉，适用于短距离传输且准确精度高。

一、系统总体方案设计

根据监控系统的特点和要求，设计出了具有1个协调器（中心控制节点）和3个

终端节点（传感器节点）的无线传感器网络。整个系统由PC机、协调器和终端节点组成。

PC机通过RS232与协调器进行串口数据的交换，其中协调器是整个网络的核心。传感器节点所获得的数据均发送给协调器，然后由协调器发送给PC机。同样PC机下达的指令也是通过串口先发送给协调器，然后在有协调器发送给终端节点。

二、系统硬件设计

（一）、主控制器CC2530简介

CC2530单片机是一款完全兼容8051内核，同时支持IEEE 802.15.4协议的无线射频单片机。内部具有8KB的RAM，32-、64-或128-KB 的系统内可编程闪存且支持硬件调试。其还拥有强大的5通道DMA，1个16位定时器，2个8位的定时器，1个MAC定时器专为MAC或其他协议而设的定时器，可以跟踪已过周期，同时可以记录收发某一的帧精确时间和传输结束时间，以便产生不同的选通命令到无线模块。还具有8路输入和可配置分辨率的12位ADC，2个支持多种串行通信协议的强大USART，21个通用I/O引脚。并且CC2530用128位的AES算法进行加密或解密数据，从而保证了ZigBee网络层和应用层的安全要求，保证了通信的安全性能。

（二）、协调器与终端节点电路设计

协调器和终端节点在硬件电路设计上是一样的，我们通过不同程序来实现协调器与终端不同的功能，具体是如何实现的我们将在下一节进行讲解。由于CC2530芯片内部已经具有了CPU和内存相关模块，外设、时钟和电源管理相关模块以及无线信号收发相关模块，因此我们只需要很少的外接元器件并可以实现2个ZigBee节点之间的无线通信。

（三）、传感器的选择

温度传感器采用DS18B20，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。

独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。测温范围-55℃～+125℃，固有测温误差1℃，并且在使用中不需要任何外围元件。

湿度传感器采用DHT11湿度传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保其具有极高的可靠性和长期的稳定性，其测量湿度的范围在20-90%RH，且测量的精度在±5%RH。

人体红外传感器采用HC-SR501，采用LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，广泛应用于各类设备，低功耗，适用于干电池供电的自动控制产品。

最后的照明系统的设计则是通过继电器来对台灯进行控制，通过控制继电器的通断电来对台灯进行开关的控制。

三、系统软件设计

（一）、ZigBee协议栈简介

在访问互联网的时候，首先在硬件上需要具有网卡，在软件上则通过TCP/IP协议来进行通信。同样的道理，运用ZigBee网络进行通信的时候，在硬件上用到的是支持ZigBee底层协议的芯片CC2530，在软件上用到的是ZigBee协议栈。所谓的协议就是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据的收发；而协议栈则是协议的具体实现形式，通俗的理解为用代码实现函数库。

（二）、协调器程序设计

这里使用的是ZigBee 2007协议栈，并且在IAR For MCS-51的环境中采用C语言进行编程。协调器在上电后，先进行板载硬件以及协议栈的初始化，然后调用OSAL_start_system（ ）函数开始运行操作系统，由于协调器需要建立ZigBee通信网络的功能，因此调用ZDO_startDevice（ ）函数组建Z igBee网络。当网络组建完成后向用户发送ZDO状态改变事件消息ZDO_STSTE_CHANGE，接着系统就进入用户处理函数App_ProcessEvent（ ）对此事件进行处理，处理完毕后再跳到OSAL_start_system（ ）函数中等待事件的发生。当PC机通过串口给协调器发送数据时，此时就会产生CMD_SERIAL_MSG事件，接着进入对应的处理函数中。当终端节点发送数据给协调器时，AF_INCOMING_MSG_CMD事件就会被触发。

（三）、终端节点程序设计

终端节点在上电后，先进行一个系统的初始化，随后搜索附近是否拥有协调器组建好的ZigBee网络，如果拥有则会发送消息要求加入其网络。当终端节点成功的加入ZigBee网络以后会获得一个在该网络中16位短地址，该短地址在此协调器建立的网络中是唯一的。协调器通过该短地址可以区分出不同的终端节点，并且可以通过短地址与终端节点之间进行点对点的通信。

（四）、上位机软件设计

上位机软件的主要功能是与位于监控室中的中心控制节点通过RS- 232串行口进行通信，从而接收传感器节点的信息。另外，上位机软件还要实现人机交互、传感器信息接收、数据处理与分析和数据库管理等功能。

四、系统测试结果

通过3个传感器节点在室内的3个不同的地方分别对周围环境中的温度、湿度、周围是否有人以及对照明系统的状态进行监控的测试。实验的结果表明该系统完全可以对这些因素进行监控，通过返回给上位机的数据来看，数据也都是实时的准确无误的上传上来。而且具有接线简单，性能稳定可靠，测量精度高的特点。实验结果如图1所示。

五、结语

本文提出的基于ZigBee的监控系统的设计方案，通过无线的方式对不同地点的周围环境的数据信息进行采集并通过PC机准确的将信息显示出来。其结果表明ZigBee无线传感器网络的测控系统，具有可靠性高、抗干扰性好、功耗小和成本低的特点，能够满足监控系统的需要。

参考文献：

[1]黄小强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].化学工业出版社，2012.5.

[2]蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用（IEEE802.15.4）[M].北京邮电大学出版社，2006.6

[3]Gislason，Drew. Zigbee Wireless Networking[M]. 2008.9