基于ZigBee的无线传感网络网关的研究与设计

罗回彬，吴 方

（北京理工大学 珠海学院 计算机学院，广东 珠海 519000）

基于ZigBee的无线传感网络网关的研究与设计

罗回彬，吴 方

（北京理工大学 珠海学院 计算机学院，广东 珠海 519000）

为了更好地实现传感器节点数据的采集和监测，提出了一种基于ZigBee的无线传感网络网关的设计方案。该网关系统以ARM Cortex-A8为主控模块，外接WiFi模块和ZigBee协调器，采用ZigBee协议建立无线传感器网络，而且通过WiFi模块接入互联网，实现对传感器节点数据的采集。实验结果表明，基于ZigBee的无线传感网络网关，使用简单，可以快速地实现对外部环境数据的采集，可扩展性强，可以广泛应用于消防楼宇监测、农业灌溉、机床设备监测等各个领域。

ZigBee；无线传感器；网关；CC2530

随着物联网技术和通信技术的发展，物联网网关将是无线传感网络和通信网络的重要枢纽。如何通过结合现有传统网络技术Internet和新兴技术WiFi实现对远程设备的管理、前端数据的采集，将成为今后物联网感知和物联网传输的重要研究课题[1-7]。本项目主要通过构建一个基于ZigBee技术的无线传感网络网关，实现对不同领域数据的监测、信息共享和远程控制。

1 系统方案设计

如图1所示，系统由主控模块ARM Cortex-A8、ZigBee协调器及基于CC2530的传感器温度传感器节点、烟雾传感器节点、人体检测传感器节点等、WiFi模块及手机移动设备组成。其中，各类终端传感器节点与协调器一起构建基于ZigBee的移动传感网络，经由串口与主控模块进行数据传输，而主控模块通过WiFi与手机移动设备进行通讯。

2 系统硬件设计

2.1 主控模块

主控模块选用32位的高性能微处理器ARM Cortex-A8，其包括基于 CortexTM-A8的Samsung S3PV210主芯片，以及大容量的DDR2 RAM内存和NAND Flash存储器，此外还有具有7寸800*480 LCD显示屏、触摸屏、USB、RS232标准串口等，能很好地满足各类嵌入式、物联网产品的开发。

图1 系统总体架构框图

2.2 Zigbee协调器

ZigBee协调器选用CC2530芯片，CC2530包括有增强型8051CPU、8 kb RAM、时钟、电源管理和外设相关的模块、以及RF收发器模块，具有不同的运行模式，且运行模式可快速切换，是一种基于IEEE802.15.4标准的片上系统解决方案，可以低成本低功耗构建大型网络[8]。

2.3 WIFI模块

本项目进行WIFI模块的电路设计，其工作电压为直流3.3 V。如图2所示，“Wifi_nRST”为WiFi模块复位引脚，低电平时间大于300 ms复位；S4为恢复WiFi模块出厂设置按键。此外，LED3 Red为WiFi模块启动状态指示灯，正常启动后“Wifi_nREADY”引脚输出低电平，电路导通 启动状态指示灯点亮，反之，灯熄灭；LED4 Blue为WiFi模块连接状态指示灯，正常通讯时“Wifi_nLink”引脚输出低电平，连接状态指示灯点亮，反之，灯熄灭。

图2 WiFi模块电路图

2.4无线传感器网络节点

本项目中，无线传感网络节点主要是由ZigBee无线网络传输和传感器节点组成。其中，传感器模块则采用了由温度传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、人体检测传感器组成[9]。这四种传感器采集的数据包括了温度、温湿度、烟雾、人体四种数据的采集，可以应用与农业、工业、消防、防盗等多个领域，因此可以按照实际需要，结合对应的操作系统，可以用作于多领域的监控系统。其中，温度与温湿度传感器原理图设计如图3所示，DS18B20的数据输出IO （引脚2）接上拉电阻后与CC2530的引脚P15连接，DHT11的DATA （J7的引脚2）接上拉电阻后与CC2530的引脚P07相连。

图3 温度与温湿度传感器原理图

3 软件设计

3.1 ZigBee组网流程图

本项目以ZigBee组网为例进行软件设计开发。ZigBee组网流程图，如图4所示，ZigBee组网时各无线网络传感器的主要工作如下:

1）初始化传感器节点模块；

2）申请加入ZigBee协调器，进行ZigBee无线组网；

3）CC2530通过各传感器进行数据采集；

4）终端传感器节点采集的各类数据 （温度、人体检测、温湿度、烟雾等）发送至协调器。

3.2 无线传感器协议

根据不同的应用场景及数据需求，无线传感网络节点可以接入不同传感器类型，进行各种环境数据的采集与监测[10]。其中，传感器状态串口协议如表1所示，主要包括对不同传感器进行传感器类型编号，以及对传感器输出数据的说明。例如，人体检测传感器，其传感器类型编号0x07，输出数据1表示检测到区域内有人，输出数据0表示检测区域内无人。

图4 ZigBee组网流程图

表1 传感器状态协议

3.3 无线传感器的编码实现

如2.4小节所述，作者通过CC2530的I/O引脚与各传感器（温湿度传感器、人体检测、烟雾传感器等）引脚相连，编写相应指令代码获取各传感器的值，并发送给协调器。例如，获取温湿度传感器DHT11的数据，并发送给协调器的部分代码如下:

4 实验结果与分析

4.1 协议栈解析

如图5所示，作者通过代码编程得到的数据截图，进行一帧定长为26字节数据分析。作者可以通过对“传感器类型”分析来判断当前数据来源属于哪个传感器，然后再根据“节点数据”解析得出当前传递的采集数据信息。

图中的圆框“07”代表人体检测节点，“0a”代表温湿度传感器节点。人体检测的节点数据主要代表当前的检测状态（是否检测到人），图5中截取的节点数据代表没有检测到人，而温湿度传感器的节点数据代表当前的温度和湿度百分比。

图5 协议栈数据截取

4.2 主程序界面

程序演示界面，主要利用QT的UI设计工具进行登录界面、主界面的设计，其主要代码由html的标签完成。通过测试，可以实现数据的采集及转发，如图6所示。

图6 主程序界面

5 结束语

基于ZigBee的无线传感网络网关的应用领域众多，不仅可以很好地应用于家居生活，还可以广泛地应用于城市楼宇消防监测、医疗健康养老监测、农业土壤监测及灌溉、工业机床设备监测等领域[11-15]，很好的实现表1所示的各类传感器节点数据的采集、监测、解析和转发。

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[6]邢锐，王维.基于ARM处理器的Zigbee网关设计[J].光机电信息，2011（3）:42-46.

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[13]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.

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Research and design of wireless sensor network gateway based on ZigBee

LUO Hui-bin，WU Fang
（Department of Computer， Beijing Institute of Technology， Zhuhai 519000，China）

In order to better implement the sensor node data acquisition and monitoring，this paper puts forward a design scheme based on ZigBee wireless sensor network gateway.The gateway system based on ARM Cortex-A8 as master control module，and is connected with WiFi module and ZigBee coordinator.The ZigBee protocol is adopted to establish the wireless sensor network，and access to the Internet through WiFi module，realized the data collection of sensor nodes.The experimental results show that the wireless sensor network gateway based on ZigBee is easy to use and can quickly realize external environmental data collection.With the good extensibility， this system can be widely used in building，agriculture，machine tool and other fields.

ZigBee； wireless sensor； gateway； CC2530

TN919-34；TP393.1

A

1674－6236（2017）12-0182-04

2016-05-18稿件编号:201605177

2013年北京理工大学珠海学院校科研基金项目（XK-2012JS-03）

罗回彬（1986—），男，广东梅州人，硕士，实验师。研究方向:嵌入式系统设计及应用。