基于ZigBee的多传感器物联网智能节点研究

李晶莉，张 雷，周 磊

(扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225127)

基于ZigBee的多传感器物联网智能节点研究

李晶莉，张 雷，周 磊

(扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225127)

智能化温室是智慧城市的重要组成部分，信息采集又是智能化温室的重要基础。针对当前数据采集系统存在的时延和稳定性问题，设计了一种基于ZigBee的物联网智能节点。通过汇聚节点建立和维护传感器网络，实现数据上传和实时更新；通过兼容多种传感器的终端节点，完成多种数据的检测与采集。经测试，在保证系统功能正确性的同时，可有效降低节点通信延时并增加通信距离。

ZigBee；多传感器接口；信息采集；无线传感器网络

0 引言

物联网技术的发展推动了智能化温室的建立，多智能传感器节点的需求不断增大[1]。为农作物提供科学的生长方案、优化生长环境是智能化温室的关键，而信息的获取和处理是智能化温室的基础，传统的人工技术存在工作量大、效率低、误差大和消耗时间长等弊端，已无法满足人们的需求，新兴的无线传感器网络有着快速、可靠、安全、拓扑结构可变、网络容量大和复杂度低等先天的优势，一跃成为人们的新宠儿[2]。

但国内大多数智能化温室系统是从国外引进的，价格昂贵，无法适应我国国情的需要。虽然国内在温室的信息采集与处理方面也进行了很多研究，但研究的系统体系普遍是基于IrDA、GPRS、WIFI和蓝牙等传统无线通信技术[3]。这些无线通信技术虽然有传输速度快、传输信息量大、传输运行可靠和传输距离远的优势，但它们共同的缺点就是通信费用高、功耗大，所以很难满足智能化温室的要求。本文系统的信息采集选用ZigBee技术[4]，与WIFI的大功耗、低安全性，蓝牙的单一连接性、设备连接数少，IrDA、GPRS的费用昂贵等问题相比，ZigBee技术集低复杂度、低功耗、低成本和短时延等优点于一身，更适合设计所需[5]。传统的ZigBee技术，当传感器网络急剧扩大时，容易出现网络通信不稳定、网络崩溃等问题。

针对当前智能化温室系统的情况和传统的ZigBee技术传输过程中存在的时延和稳定性问题，本文设计了一种基于ZigBee的物联网智能节点，该节点不仅能实时采集温室数据，还能提高系统的稳定性，实现更好的监测。

1 系统总体设计

物联网智能节点的研究采用美国TI公司的CC2530F256芯片为硬件开发平台，采用IAR Embeded Workbench为软件开发平台[6]。旨在实现一种由各ZigBee节点组成的星型网络拓扑结构，该结构解决了分散的智能采集点的集中化管理与查询维护的难题，智能终端可以采集温度、湿度和光强等数据，通过ZigBee自组网发送给汇聚节点，再由汇聚节点打包发送给网关，网关处理后通过USB发送给上位机，实现多种环境参数的实时监测。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

系统主要分为3个部分：① 系统前端由环境监测传感器模块和ZigBee无线收发模块构成系统数据采集模块；② 系统中端是STM32组成的嵌入式网关模块；③ 系统后端是PC机构成的上位机监测系统。

2 节点硬件设计

硬件电路设计主要是对ZigBee无线传感器网络中节点的硬件分析。目前，ZigBee网络中的智能节点存在汇聚节点、路由器和终端3种形态[7]，汇聚节点是整个网络的中心，负责建立和维护网络，路由器充当中间人的角色，完成数据的转发，终端上设有多种传感器，实现数据信息的采集。为了简化设计功能，将其合并为汇聚节点和终端节点。

2.1 汇聚节点设计

汇聚节点是整个网络的汇聚中心，负责建立和维护网络。汇聚节点基于CC2530芯片，由51内核、UART接口、定时器和I/O口等部件组成，汇聚节点负责将终端节点传上来的数据进行处理分析，然后通过串口传送给网关，汇聚节点框架图如图2所示。

设计中核心板选用德州仪器(TI)公司最新的CC2530芯片，该芯片结合了高性能的射频收发器和一个高性能低功耗的8051微控制器，具有优良的无线接收灵敏度和抗干扰性[8]。它是一个真正的片上系统(Soc)解决方案，是市面上最出色的微处理器之一。

图2 汇聚节点框架

CC2530芯片作为节点的主控制器，主控制器加上外围电路组成单片机最小系统核心板，核心板外部为扩展模块，扩展模块提供传感器接口，其中CC2530芯片上的P0_4～P0_7与多种传感器接口相对应。

考虑到内外部信号对系统的干扰，将电路的模拟部分和数字部分的电路严格分开，对核心电路重点防护，将系统地线环绕，并布线尽可能粗，电源增加滤波电路，采用DC-DC隔离，信号采用光电隔离，设计隔离电源，对容易产生干扰的部分(时钟电路、通讯电路等)和容易被干扰的部分(模拟采样电路等)进行解析。

2.2 终端节点设计

终端节点即传感器节点，是数据采集系统前端，基于ZigBee技术，结合CC2530芯片、温度传感器DS18B20、温湿度传感器DHT11、光照传感器光敏电组和电源等部分，构成数据采集模块。终端节点通过传感器采集所需数据，通过A/D转换等功能，将数据通过CPU处理后，打包发送给协调器。终端节点框架图如图3所示。

图3 终端节点框架

2.2.1 多传感器接口设计

终端节点的传感器接口电路，采用单个接口可使用多种传感器的设计。硬件电路上，DHT11传感器、DS18B20传感器和光照传感器可以使用同一个接口，如图4所示。

图4 多传感器接口设计

软件驱动上，系统可以自动识别传感器种类，自动调用对应的驱动。系统初始化完成后，调用一个驱动测试函数，该测试函数轮询调用了3种传感器的初始化函数，发送对应的初始化时序，等待传感器做出响应，若传感器的响应符合对应传感器的响应时序，则确认该传感器的驱动。

该标准化接口可以大大节约I/O口资源、简化硬件电路的设计，实现了一个节点可以使用多种传感器的需求。

2.2.2 系统传感器

(1) 温度传感器

温度传感器将温室中的温度信息转换为电压或电流输出，并进行A/D转换，以满足需要。传统的温度检测大多用热敏电阻作为温度传感器，但是热敏电阻的可靠性差、测量温度准确率低。与传统的热敏电阻相比，DS18B20可将被测温度转换为串行数字信号，供单片机使用。DS18B20具有独特的单总线接口方式[9]，在与微处理器连接时，只需一条口线即可实现双向通讯。这种单线技术具有电路简单、便于扩展、降低功耗等优点。系统通过DS18B20，将采集到的数据输入到CC2530的P0口，DATA引脚接P0_7口。 DS18B20有着严格的时序来保证数据的完整性。首先对DS18B20进行初始化，主机拉低单线进入Rx接收模式，再拉低总线产生应答信号，然后对ROM、内存进行操作命令，最后对数据读写信号等进行处理。

(2) 温湿度传感器

DHT11采用4针单排的引脚封装，响应快、抗干扰能力强。DATA是用于微处理器与DHT11之间的通信和同步的串行双向接口，电源引脚(VCC，GND)之间可以加一个100 nF的电容，用以去耦滤波。DHT11的通信过程高效便捷，首先主机在数据线上发出开始信号，DHT11检测到此信号后回复响应信号，并拉高数据线电平，开始向主机发送采集的数据，数据发送完毕，释放总线。

(3) 光照传感器

光敏电阻是一种典型的光照传感器，具有光电导效应，当该器件受到光辐射后，其电阻值会受到变化。与其他的半导体光电器件相比，光敏电阻有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、抗过载能力强、寿命长等特点。把光敏电阻串联在电路中，即可把电阻值转换成电压值，与上2个传感器类似，光照传感器也是3个引脚，一个接地，一个接电源，DATA引脚实现微处理器与光照传感器之间的双向通信[10]。

3 系统软件设计

设计基于TI公司的Z-Stack协议栈，系统的软件设计主要完成ZigBee收发模块的程序设计，同时为了解决功耗和时延问题，系统中采用最小跳数的自组网方法，提高传输的效率。

3.1 汇聚节点程序设计

汇聚节点的程序设计流程如图5所示，汇聚节点上电后，先对其进行节点硬件及协议栈的初始化，然后开始扫描信道，汇聚节点建立网络，判断是否有节点加入网络，当检测到有申请入网请求时，恢复请求并给其分配网络地址，建立绑定。然后，开始接收数据，当接收到数据后，对其进行打包处理，通过串口发送给网关。

图5 汇聚节点设计流程

汇聚节点收到数据后，根据数据的簇id将数据填到一个6个字节的数组，然后通过串口发送函数，根据簇id将数据整理成数据包的格式发送出去。

3.2 终端节点程序设计

终端节点通电后，进行硬件及协议栈初始化，然后发出入网请求，等待协调器回复响应，当收到回复请求后，通过绑定函数建立绑定，接着就是读取传感器模块的数据，并打包发送给汇聚节点。终端节点程序设计流程图如图6所示。

图6 终端节点设计流程

4 系统测试分析

基于ZigBee的多传感器物联网智能节点的系统设计主要测试的是系统运行的正确性及数据采集与传送的稳定性和准确性。实验中搭建了一个基于ZigBee的星型网络拓扑结构的测试环境，包括一个汇聚节点的数据，并通过串口发送给上位机显示。

4.1 节点的功能测试

4.1.1 汇聚节点设备的功能测试

汇聚节点在ZigBee无线传感器网络中负责整个网络信息的接收和处理工作，在该系统中汇聚节点通过串口与网关通信，网关通过USB与PC上位机连接通信，实现用户和系统之间的实时交互操作。通过配置Z-stack，设置设备类型为汇聚节点设备，设备上电后检查网络并完成网络的初始化工作后进入任务轮询状态，允许节点设计加入网络。汇聚节点通过串口将自己的所采集到信息发送给STM32网关，网关再用USB发给上位机，从而实现汇聚节点与上位机之间的信息传输。

4.1.2 节点温度功能测试

以5 ℃为阶梯，用不同温度的热源去靠近温度传感器，即每隔1 s时间给热源增加5 ℃，让温度传感器采集，发给PC机，得到实验结果，比较热源温度数据与上位机采集数据，可发现其功能符合设计要求。

4.1.3 节点湿度功能测试

对湿度的测量，将DHT11传感器放入一个密闭的空间，通过不断增加空气湿度，用标准的温湿度测量仪测量空气湿度，与传感器测得的湿度作比较，可以发现其功能符合设计要求。

4.1.4 节点光强功能测试

对光强的测量，采用不断加强光源光照强度，用标准的照度仪测得的数据与传感器采集的数据做比较，可得其功能符合设计要求。 归一化采样数值如图7所示。

图7 归一化采样数值趋势走向

4.2 节点的性能测试

节点的性能测试主要对节点设备的通信距离和接收时延进行测试。节点设备的通信距离、接收时延对于合理安装ZigBee节点设备具有十分重要的参考意义[11]。随着传输距离的不断增加,造成数据包的丢失。节点设备通信距离和接收时延同硬件设备的发射功率、环境干扰等原因有着十分密切的联系，针对不同的安装环境本设计做了相应的性能测试。

4.2.1 节点设备的通信距离测试

节点设备的通信距离同设备的硬件设计有密切的联系。本次ZigBee模块的硬件设计，其设计性能已经通过TI官方和诸多研发人员等多方面的测试，稳定可靠，能有效缩短研发、测试周期。采用通信距离测试程序，其工作原理是节点设备每隔500 ms向汇聚节点固定长度的测试包，每次测试发送1 000个数据包，汇聚节点统计接收到测试包的数量，计算网络丢包率，其测试统计结果如表1所示。

表1 通信距离及丢包率测试

4.2.2 节点设备的时延测试

时间延迟也是无线网络中一个很重要的指标。测试采用上位机编写代码的方式来计算节点延时，即通过调用.net中的Stopwatch类，计算从点下“开始”按钮，到收到各个数据的时间，多次实验求平均值。各个阶段的数据延迟如表2所示。

表2 节点设备的时延测试

表2中，T0时刻处于组网阶段，T0时刻的数据时间延迟比较大，超过了1 s，而T1、T2和T3的数据包时间延迟下降到300 ms，并且延迟稳定。造成这个结果的原因是ZigBee组网与网关的USB初始化要花费大量时间，当数据建立了稳定的数据发送路由，并且USB初始完毕后，网关定时主动向ZigBee汇聚节点数据，这样就可以大大的减少数据延迟。

5 结束语

随着智慧城市的发展，智能化温室已经逐步进入人们的视线，并开始广泛运用于农业、工业和家庭等方面。信息的采集是智能化温室的基础，传统的人工技术，不仅成本高、耗时长、误差大，而且效率低下、信息传递不及时，极易造成大面积的损耗，而导致整个系统的崩溃。以ZigBee技术为基础的物联网采集系统，设计了一种高效的智能汇聚节点，把各个传感器节点的数据进行处理与打包，及时反馈给上位机，这种设计不仅便于安装与维护，还极大地缩短了采集时间，减少了人工失误，提高了信息的准确度与效率，为生物的成长提供了良好的测试环境，多传感器的物联网智能节点系统可以将采集的数据准确传送至上位机，系统运行良好。

[1] 乔宏章,付长军.“智慧城市”发展现状与思考[J].无线电通信技术,2014,40(6):1-5.

[2] 周雅琴,谭定忠.无线传感器网络应用及研究现状[J].传感器世界,2009(5):35-40.

[3] 宋国森,姜 霞,修国浩.蓝牙与其他短距离无线通信技术的比较[J].无线电工程,2004,44(5):53-54.

[4] 张 雄,秦会斌,毛祥根,等.基于ZigBee技术的远程家电控制系统[J].无线电通信技术,2015,41(6):68-71.

[5] 周素茵,章 云,曾 斌.无线通信技术在我国现代温室中的应用综述[J].传感器与微系统,2011(12):14-17.

[6] XIN Zheng-hua,CHEN Guo-long,LI Xian-wei,et al.Research on the ZigBee Network and Equipment Design Based on the CC2530[J].Sensors &Transducers,2013(11):158.

[7] 张亚琼,杜永贵.基于CC2430的ZigBee智能传感器网络研究及应用[J].仪表技术,2008(4):3-4.

[8] 李俊斌,胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计[J].电子设计工程,2011(16):108-111.

[9] 吴春光.海上红外目标模拟器远程温度采集系统设计[J].无线电工程,2013,43(11):57-59.

[10]舒 秦,王瑞平,孙向红.光敏电阻特性的研究[J].西安科技学院学报,2000(4):377-379.

[11]王 琰,王 喆.无线传感器网络节点定位算法研究[J].无线电通信技术,2011,37(5):21-23.

李晶莉 女，(1995—)，本科。主要研究方向：电子信息工程。

周 磊 男，(1980—)，博士，讲师。主要研究方向：电子系统集成和专用集成电路设计。

Research on Intelligent Multi-sensor Nodes for Internet of Things Based on ZigBee

LI Jing-li,ZHANG Lei,ZHOU Lei

(InstituteofInformationEngineering,YangzhouUniversity,YangzhouJiangsu225127,China)

Intelligent greenhouse is an important component of Smart Cities,while information collection is the critical foundation of intelligent greenhouse.To address the issues of time-delay and stability in current data acquisition systems,an intelligent node based on ZigBee is designed for Internet of Things.The node data can be updated in real time by sink node creation and sensor network maintenance.Detection and acquisition of various data can be accomplished through the compatibility of multi-sensor terminal nodes.The test shows that it can effectively reduce the communication delay and increase the communication distance between the nodes while ensuring the validity of system functions.

ZigBee;multi-sensor interface;information collection;wireless sensor network

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.06

李晶莉,张 雷,周 磊.基于ZigBee的多传感器物联网智能节点研究[J].无线电工程,2016,46(11):22-25,67.

2016-07-26

2015年江苏省大学生创新创业训练计划立项项目(201511117078X)。

TN919

A

1003-3106(2016)11-0022-04