基于CC2530的ZigBee无线组网温度监测系统的设计

麦 军，邓巧茵，万智萍

（中山大学新华学院 信息科学系，广东 广州 510520）

现代生产、生活都与温度息息相关，温度作为人们日常生活指标，影响着人们的行为活动，根据温度高低的不同继而进行应对，温度也影响着各种生命资源的存在，温度是构成地球上多种多样生命的重要因素之一。在住宅小区、写字楼、超市、温室种植场、煤矿井等等环境下都需要进行温度的监测[1]，确保所有人的生命安全和权益。当下计算机技术和无线通信技术的快速发展，使得物联网技术、嵌入式技术等都得到了很好的应用，智能化的设计变得越来越受人们所追捧，更多的人才投入到这一领域上来，为物联网技术、嵌入式技术等当今比较热门的技术提供了很好的前提条件。ZigBee技术是现时热门技术之一，因其具有低功耗、低成本、可靠等特点，因此在物联网领域得到很好的应用[1]。针对温度分布的不均匀性，设计一个采用ZigBee技术组建的无线传输网络进行数据传输，可以很好地实现多点温度的实时监测，增大测量范围和测量的准确性。

1 系统整体架构的搭建

系统主要由温度采集处理模块、CC2530无线传输模块、ZigBee通信模块、上位机模块等几部分组成。

1.1 系统模块功能的介绍

1）温度采集处理模块：使用DHT11传感器实现温度的测量，测量所得到的数据传输至ARM处理器进行分析，获得用户最终所需的温度表示形式。

2）CC2530无线传输模块：CC2530芯片组合 CC2591射频前端实现范围更广的无线传输网络，监测更多的温度数据。

3）ZigBee通信模块：采用ZigBee协议组建无线传输网络，实现短距离，低能耗，更多节点的温度数据通信。

4）上位机模块：将下位机收集到的温度数据结合图形的方式，实时地呈现给用户。

1.2 系统整体的设计

系统的总体框架如图1所示。系统采用ZigBee协议建立无线通信的星形自组网络，CC2530芯片负责进行数据的无线传输，所有的节点上均装有CC2530芯片和CC2591射频前端。整个系统只需一个主模块负责收集各个节点传送过来的温度数据，然后通过RS232串口实现与上位机的通信，便可以供用户监测某段时间内，某一节点温度变化情况。

2 系统硬件的设计

2.1 无线通信网络的设计

2.1.1 CC2530无线传输模块

图1 系统总体框架图Fig.1 Structure diagram of the system

系统最核心环节就是实现数据的无线通信，传输模块采用德州仪器（TI）公司制造的无线射频收发芯片CC2530作为硬件核心。CC2530芯片内部集成IEEE 802.15.4标准，是支持 ZigBee应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案，具备工作频段为2.4 GHz的优越RF收发器，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，其可编程输出率高达4.5 dBm[2]；CC2530内部集成低功耗的增强型8051 MCU内核，具有256KB的Flash ROM和8KB的RAM，具备在各种电源管理模式下的数据保持能力；片外设有8通道输入并可配置的12位A/D转换器，2个支持多种串行通信协议的强大USART接口，21个通用的GPIO引脚（19个4 mA，2个20 mA），看门狗电路，具有捕获功能的32 kHz睡眠定时器，3个通用定时器 （1个16位，2个8位），高级加密标准（AES）安全协处理器等，支持ZigBee协议栈的功能；CC2530工作在-40～125℃的范围内，CC2530支持2.0～3.6 V范围的电源驱动，数据传输速率达250kbps[3]，具有工作、休眠和中断3种模式，其从休眠模式转到工作模式只需极短时间，消耗功率极低，满足了本系统进行温度数据传输时对电池寿命长和低功耗的要求。CC2530电路原理图如图2。

图2 CC2530电路原理图Fig.2 Schematic circuit diagram of CC2530

为了增大数据的传输范围，因此增加一级功率放大器，设计选取了同为德州仪器（TI）公司所推出的一款高性能RF前端的低功耗的工作在2.4 GHz的射频设备CC2591[2-3]，输出功率可高达22 dBm，通过使CC2591内部的LNA工作在高增益的环境，能够进一步抑制NF并提高系统的接收灵敏度，而且CC2591具备自动休眠和唤醒的功能，减轻了系统的耗能；通过放大电路实现功率放大后，在空旷场地的信号传输距离最高可达2 000 m[4]，有效地增大温度数据采集的范围。本系统测试在30 m的距离下进行温度数据采集得到很好的效果。CC2591电路图与连接图如图3。

2.1.2 ZigBee组网技术

ZigBee作为一种新兴的双向无线通信技术，是建立于IEEE 802.15.4无线个域网的标准，使用全球统一无需申请的2.4GHz频段[4]。ZigBee协议主要由物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）组成，其中遵循IEEE802.15.4标准的有物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC），网络层（NWK）与应用层（APL）由 ZigBee 联盟制定[5]。

图3 CC2591电路图与连接图Fig.3 Circuit and the connection diagram of CC2591

ZigBee作为一种短距离无线自组网通信技术，以其具有低成本、低功耗、安全性高、低速率、结构简单、快速可靠等特点，广泛用于工业自动化、智能家居、农林业等领域[6]。当ZigBee节点不处于工作状态时自动处于休眠状态，表现出ZigBee快速、低功耗等特点，标准的使用情况下寿命可达6～24个月或更长[7]，ZigBee中一个主节点支持255个子节点[5]，并且每个节点分配有唯一的通信地址，组建一个ZigBee网络最多可拥有65 000个节点，过程中可以动态地增加新节点，多个ZigBee网络进行连接还可组建成规模更大的无线通信网络[8]，采用ZigBee技术可以很方便地实现分布式的温度监测，使系统寿命更长久，数据传输更安全可靠。ZigBee传输网络有3种拓扑形式如图4所示。

图4 ZigBee 3种网络拓扑结构图Fig.4 Structure diagram ofthe ZigBee three network topology

1）星形。整个ZigBee网络以一个节点为主节点，负责接收来自其余所有节点的数据，并且与其他扩展模块实现通信，就像一个星星由中心向周围发散，成本低且功耗少。

2）树形。同样地具有一个主节点，但数据传送的形式是由上而下，其余的节点以枝叶的形式乡下散开进行数据传送，网络覆盖范围大。

3）网状。形状和传送形式与树形的相似，但网状的数据可在枝叶之间相互传送，连成一个个的回路，组成网的形状，可靠性高。

2.2 温度采集模块的设计

2.2.1 LPC1114芯片

本系统负责温度采集的节点采用NXP公司ARM Cortex-M0内核的LPC1114微处理器[9]将采集回来的温度数据进行分析计算。作为嵌入式应用高性能、低功耗、低成本的32位微处理器，主频可达到50 MHz，片内集成32KB的Flash，8KB RAM，8道 10ADC，4个通用定时器，1个响应快速的IIC接口，共有42个GPIO引脚[9]。LPC1114具有在内核时钟停止的情况下仍继续正常运行的睡眠模式，内核掉电情况下可选择性进行掉电或运行的深度睡眠模式和处理器停车运行的深度掉电模式。

2.2.2 DHT11温度传感器

系统采用DHT11数字温度传感器监测温度变化，作为一款高性价比的温度传感器，内部集成一个高性能8位微型单片机[10]，与其内部的湿敏元件和热敏电阻接在一起，微型单片机把接收到的模拟量转化成数字量。DHT11作为一款新型单总线数字温度传感器，工作在3.5～5.5 V，温度测量范围在0～50℃，精确度±2℃。DHT11用单线制串行接口，简化了系统的连接，具有体积小、响应快、控制简单、低功耗、很强的抗干扰能力，信号可传达20 m以上等特点[10]。

DTH11通信采用串行的单线双向通信，数据分为整数和小数两部分，每次通信大概经历40 ms左右，DHT11只需要使用5 kΩ上拉电阻在数据线长度短于20 m与微处理器进行连接，当大于20 m时选择适合的上拉电阻即可[10]。在微处理器开启与DHT11通信，DHT11发生响应后切换至高速模式，实现快速通信；当数据的发送和接收结束后DHT11立即切换回低功耗模式。DHT11外表围着一个带格栅的塑料外壳，减少使用时与外界中有害的化学物质接触，实现长期稳定地工作。

3 上位机的设计

上位机软件使用C#语言进行开发，语言环境使用Visual Studio 2010，核心控件为serialPort timer chartControl，以串口的形式实现模块间的通信。

3.1 DHT11传感器部分的程序

DTH11温度传感器的数据正确传送时通信的格式为：8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验和数据，具体程序如下：

3.2 上位机的测试

在主模块收集好各个节点的数据，经过RS232串口把采集数据发送到电脑上。RS232通信接口电路采用串行通信方式。传输的数据经RS232串口转USB串口发送到电脑端，电脑串口接收数据，打开上位机开始对温度变化进行监测。对数据的采集在上位机显示温度变化的图表。测试效果如图5～6所示。

图5 上位机打开后显示的界面Fig.5 Interface chart of the PC

图6 上位机开启系统接收温度数据图Fig.6 Interface chart of PC receiving the temperature data

4 结束语

本系统采用低功耗、低成本的CC2530组建的ZigBee无线传输网络实现对传感器数据可靠安全的传输，而且星型拓扑的节点设计能够对任意位置的温度数据进行采集。整个系统不仅应用到低功耗的元器件，减少了设计的成本，增加使用的寿命；而且测量的范围很大，实时地对远距离数据进行收发。经过各个模块之间的友好工作，最终主模块把采集好的数据发送到上位机，在上位机进行显示和处理，清晰地把数据告诉用户。本系统能够灵活应用于各种需要进行温度监测的领域上，移植性高。系统设计经验证后表明还系统能基本实现对环境温度数据变化的采集，满足环境温度监测的需求，成本低，功耗低，复杂程度较低，能够容易地实现对温度数据的实时采集，给温度采集系统提供了一个很好模型进行参考，能够给更多人进行学习，实现进一步地对其进行优化和扩展，体现出整个系统的设计价值、实用价值和很好的应用前景，促进物联网技术的发展，为人们的生活带来更大的方便，提升生活的质量。

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