基于ZigBee无线传感网络的环境监测系统的设计*

高金转，彭旭锋，张会新，陈德沅，刘文怡*

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；3.北京宇航系统研究所，北京100076）

基于ZigBee无线传感网络的环境监测系统的设计*

高金转1，2，彭旭锋3，张会新1，2，陈德沅1，2，刘文怡1，2*

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；3.北京宇航系统研究所，北京100076）

ZigBee作为一种新兴的无线传感网络技术，具有低功耗、低复杂度、低传输速率、低成本、近距离传输等特点，实现起来简单，并且具备自组网功能，新传感器节点入网无需人工配置，在无线环境监测系统中得到广泛的应用。设计的基于ZigBee无线传感网络的环境监测系统是对环境中的温度和气体烟雾进行监测。该检测系统由传感器节点和协调器节点两部分组成，其结果由协调器传输给PC机来显示，从而完成对温度和气体烟雾的无线监测。经过多次可靠性试验，本系统已成功应用于某型号监测系统。

无线传感网络；ZigBee；温度；气体烟雾浓度；CC2530

随着科学技术、信息技术、网络技术的发展，无线传感网广泛应用于军事、智能家居、医疗监护环境监测和远程工业控制领域［1］。现今由于科技水平的提升，一些工厂、办公楼、家居有无线传感网络的参与给我们的工作和生活带来了很大的方便［2］。其中ZigBee技术是一种近距离、低成本、低速率、较简单且功耗低的双向无线通信技术，被广泛地应用于远程监测与控制和智能家居领域中［3-4］。

设计的主要目的是实现一种基于ZigBee无线传感网络的温度及烟雾数据实时监测功能。设计电路种包含传感器节点的设计和协调器节点的设计，传感器节点会进行周期性的采集温度和气体烟雾浓度的数据，再将其通过无线网络传给协调器节点，协调器经USB串口在PC机上的串口助手里显示。

1　系统的整体设计

本系统是由一个传感器节点和一个协调器节点两部分组成。传感器节点主要是完成对环境中的温度和气体烟雾浓度的采集，并将数据通过ZigBee网络发送出去。协调器节点的功能是建立ZigBee网络和接收传感器节点发出去的数据，并将其通过USB串口传给PC机。系统整体框图如图1所示。

项目来源：山西省自然科学基金项目（2014011021-5）

收稿日期：2015-07-09修改日期：2015-09-11

图1　系统整体框图

系统工作的时候，传感器节点加入协调器组建的ZigBee网络，周期性地采集环境中温度和气体烟雾浓度的数据，并将其发送出去，协调器接收到数据后经串口将其传输给PC机，由PC机显示数据。

2　系统硬件的设计

2.1系统无线收发模块的设计

其核心芯片为CC2530，CC2530是TI公司在2.4 GHz频段推出的第 2代支持 IEEE 802.15.4/ ZigBee协议的片上系统芯片。其内部集成了高性能射频收发器、工业标准增强型8051 MCU内核、265 kB Flash ROM和8 kB RAM。它的功能比较强大，具有 2个 USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）、8 bit和16 bit定时器、看门狗定时器、8路输入可配置的12 bit ADC模数转换器、21个 GPIO（General Purpose Input Output）、AES128协同处理器等［5-7］。因为CC2530自身带有射频的功能，一般经行小功率网络节点的系统设计使不需要额外加其它的射频芯片，CC2530外加一些简单电路即可实现射频功能，如图2所示。

图2　系统无线收发模块模块

协调器节点和传感器节点之间的互相通信是依靠天线收发实现的，天线一般都具有可逆性，既可以接收也可以发送［8-9］。其中，晶振电路部分分别由1个晶振和2个负载电容组成，给主芯片CC2530的正常工作提供稳定的时钟信号。用电感、电容相连构成一个同轴天线，由单片机的管脚RF_P和RF_N输出。

2.2系统功能模块的设计

这个环境监测系统主要由两个功能模块，即整个系统由一个协调器节点和一个传感器节点组成。

（1）协调器节点设计

如图3所示，协调器节点主要包括：CC2530数据处理模块、天线、电源模块、串口模块、LED部分等。CC2530部分主要负责控制节点的处理操作、任务管理等。天线部分主要用于接收数据信息。串口模块为PC机和节点之间提供了接口。LED部分用来指示网络的连接情况，LED2亮说明协调器自组ZigBee网络成功，LED1亮说明允许其他节点加入该网络。

图3　协调器节点的功能框图

（2）传感器节点设计

图4为传感器节点的功能框图，它主要由CC2530数据处理模块、天线、数据采集模块（温度传感器和气体烟雾传感器）、电源部分和LED部分等组成。其中，数据采集模块主要负责采集数据，并完成数据的转换。LED部分是来表示节点是否加入或退出网络，LED2亮说明传感器节点加入ZigBee网络，LED1亮传感器节点开始周期性地发送数据。天线用于无线发送数据信息。数据采集模块使用的传感器为DS18B20数字温度传感器和MQ-2气体传感器。DS18B20数字温度传感器是单总线器件，具有线路简单，体积小的特点，使用起来十分方便。MQ-2气体传感器可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。

图4　传感器节点的功能框图

（3）电源模块设计

关于电源部分的设计，为保证传感器节点和协调器节点模块持续工作，故与PC机相连供电。但是电路中用到了3.3 V的电压，所以必须要加一个5 V到3.3 V的转换电路。即使用了TI公司的REG117-3.3芯片，能满足5 V到3.3 V的电压转换要求。

2.3串口传输模块

为了便于PC机与协调器之间进行正常通信，本系统设计采用了USB转串口芯片CH340，实现了USB到串口的转换。PC机通过USB接口接收数据。PC机与单片机之间接口不一致，因此需要通过CH340芯片实现接口的匹配，以使数据可以正常从协调器模块传送到PC机。图5为USB转换的部分原理图。

图5　串口转换的部分原理图

在串口方式下，CH340提供常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。

3　系统软件设计

利用星型网络拓扑结构的优点是它结构简单、网络的管理和维护容易，成本也低。该系统建立了一个无线传感网络，将采集的数据通过Zig-Bee网络协议传送到协调器，最终传到PC机来显示。本系统调试过程中的网络结构由一个协调器节点和一个终端节点组成，其中协调器主要负责网络的建立和维护，接收监测区域的温度、气体浓度，并通过串口与PC机相连进行数据的显示，终端传感器节点利用温度传感器、气体传感器采集数据信息。

3.1协调器节点的软件设计

在系统设计中，协调器节点主要有两个任务：一是负责建立ZigBee网络并允许其它节点加入该网络；二是能够接收终端传感器节点无线发送的数据信息，并将这些数据信息分析处理后通过串口传给PC机显示。协调器节点的工作流程图如图6所示。

图6　协调器节点的工作流程图

3.2传感器节点的软件设计

终端传感器节点加入网络后，需要周期性地采集数据并向协调器发送数据。周期性的工作需要用到 ZigBee协议栈里的一个定时函数osal_start_timerEx（）［7］，该函数可以实现毫秒（ms）级的定时，定时时间达到后发送数据到协调器节点，再定时一段时间，定时时间到达后再发送数据，这样周期性地工作。在该系统中，终端传感器节点的任务是加入ZigBee网络，处理各个传感器采集的数据，并将其周期性发送给协调器。其工作流程图如图7所示。

图7　传感器节点的工作流程图

4　测试结果显示

测试了一个传感器节点和一个协调器间的数据传输。即给协调器节点和传感器节点下载编好的关于温度的程序后，给协调器节点上电，待LED灯都亮了（即ZigBee网络建立成功并允许其它节点加入）之后，将传感器节点放置与距离协调器节点10 m之外，再给传感器节点上电，待LED灯都亮了，打开串口调试助手，将波特率改为与程序相对应的波特率，打开串口，看到接收区的温度显示如图8所示，用手触碰DS18B20温度传感器的时候，串口助手接收的数据明显升高，如图9所示。

图8　串口显示温度数据

图9　串口显示手触时温度数据

若给温度传感器节点和协调器节点下载关于气体浓度的程序后，和上述步骤一样，待测试系统稳定之后，可以看到串口助手的接收区数据显示，如图10所示，靠近MQ-2呼吸，可以看到接收区数据的明显变化，如图11所示。

由此可见，10 m距离间的数据传输稳定易实现，若对系统加以严格设计和对ZigBee系统加以优化，增加传感器的种类和节点数，再加上路由节点的设计，可以扩大通信范围，实现对环境中多种参数进行实时的检测，具有较大的发展前景。

图10　串口显示气体浓度

图11　串口显示靠近呼吸时气体浓度

5　结束语

环境监测系统是基于ZigBee无线网络的设计，采用CC2530单片机芯片，完成了对环境中的温度和气体烟雾浓度的无线监测，为远程监测环境的实现提供了全新的途径。经过对该监测系统的设计与测试结果分析，该监测系统使用ZigBee无线网络进行设计，简单易实现；采集数据及对数据的传输过程中，系统稳定、数据无误，可广泛应用于现代智能家居、医疗监护环境监测和远程工业控制等领域中。

［1］ 李存德，马长宝.基于ZigBee的无线温度传感器网络的研究与设计［J］.自动化与仪器仪表，2014（6）：55-57.

［2］ 司海飞，杨忠，王珺.无线传感器网络研究现状与应用［J］.机电工程，2011，28（1）：16-20，37.

［3］ 许灵军.基于ZigBee网络原理与应用开发［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008：19-33.

［4］ 张凯，刘用渗，秦斌斌，等.基于ZigBee和GSM的高速公路自适应限速系统？［J］.电子器件，2014，37（6）：1193-1198.

［5］ 纪晴，段培永，李连防，等.基于ZigBee无线传感器网络的智能家居系统［J］.计算机工程与设计，2008，29（12）：3064-3067.

［6］ 徐书芳，王金海，宫玉龙，等.基于ZigBee的智能家居控制系统的研究与设计［J］.电子技术应用，2013，39（8）：80-83.

［7］ Texas Instruments.CC2530 Data Book［Z］.United States：Texas Instruments，2009：16-152.

［8］ 张涛.基于CC2530的温度监测模块设计与应用［D］.南昌：南昌大学，2012.

［9］ 刘泳锐，刘文怡，张彦军，等.声无线传感网络节点数据高速存储实现［J］.电子器件，2013，36（5）：696-699.

高金转（1989-），女，汉族，山西吕梁人，中北大学在读研究生，研究方向为测试计量技术及仪器，g_jz36@163.com；

张会新（1980-），男，汉族，黑龙江牡丹江人，讲师，北京航天航空大学在读博士，研究方向为抗过载存储技术及动态测试技术与仪器，zhanghx@nuc.edu.cn。

Design of Environmental Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Networks*

GAO Jinzhuan1，2，PENG Xufeng3，ZHANG Huixin1，2，CHEN Deyuan1，2，LIU Wenyi1，2*
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051 China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，Shanxi Taiyuan 030051 China）

As an emerging ZigBee wireless sensor network technology with low power consumption，low complexity，low transmission rate，low cost，short distance transmission and other characteristics，is easy to be realized，and has self-networking capabilities.The new sensor node network joins the networking without manual configuration，and has been widely used in wireless environmental monitoring system.Design of this environment monitoring system based on ZigBee wireless sensor networks is monitoring of the environment temperature and gas smoke.The monitoring system consists of two parts，those are a sensor node and a coordinator node.The result is displayed by the coordinator transmitted to a PC，thus completing of the wireless monitoring of the temperature and the gas fumes.After several reliability tests，the system has been successfully applied to a model monitoring system.

wireless sensor network；ZigBee；temperature；gas and smoke density；CC2530

TP274

A

1005-9490（2016）03-0546-05

EEACC：6150P；7210B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.010