基于ZigBee技術的智能校園無線溫度采集系統

胡 慶，杜小丹，羅正華

（1.成都大學 電子信息工程學院，四川 成都 610106；2.成都大學 現代教育技術中心，四川 成都 610106）

隨著無線通信技術的日漸成熟，無線個人局域網（Wireless Personal Area Network，簡稱 WPAN）的應用越來越廣泛[1]，如工業控制、智能家居、智能校園等。無線的方案避免了麻煩復雜的有線布線，提供了更靈活多樣化、更便捷簡單的接入網方式。在新興的無線通信技術如WiFi、RFID、ZigBee、藍牙中，ZigBee以其低功耗、小成本、網絡容量大、安全可靠等優點在無線通信領域迅速興起[2-3]。

文中以智能校園溫度采集系統為研究對象，設計并實現了一個基于ZigBee無線網絡技術的溫度采集系統，該系統包括硬件系統和軟件系統兩部分，且都采用了模塊化設計原則，使各模塊之間以一定的通信協議進行通信。與傳統方法相比，該溫度采集系統具有免布線、維護方便、擴展性好、靈活性好等優點，可廣泛應用于學生宿舍區、教師辦公區、實驗室等的防火安全監控，為智能化校園的部分構建提供一個新的實現方案。

1 ZigBee無線傳感器網絡

ZigBee技術是一種基于IEEE802.15.4協議標準而產生的低速率無線個域網（Low Rate Wireless Personal Aera Network，簡稱LR-WPAN）技術，具有低速率、低功耗和低成本等優點。它采用直接序列擴頻技術，通信速率為20～250 kbps，特別適合于小數據量的突發信號，并且要求實時傳送的工業控制、家庭自動化網絡等場合[4]。

ZigBee中的設備分為全功能設備（Full Function Device，簡稱 FFD）和簡化功能設備（Reduced Function Device，簡稱RFD）。FFD實現了IEEE 802.15.4協議的全集；RFD功能簡潔，存儲器容量要求最少，其只實現了IEEE 802.15.4完整協議中的一部分[1，5]。一個FFD可以同時與多個RFD或多個FFD通信，而一個RFD同一時間只能和一個FFD進行通信。根據功能不同，可把ZigBee中設備分為協調器（Coordinator）、路由器（Router）、終端設備（End-Device）。 其中協調器和路由器均為全功能設備，而終端設備采用簡化功能設備[2-3]。

ZigBee網絡的拓撲結構有星型、串狀、網狀、對等（也稱Ad-hoc）等連接。ZigBee的自組織和自愈網絡結構允許數據和控制消息通過多條路徑傳輸，這一特性擴展了網絡的范圍并提高了數據的可靠性[2-3]。

本設計的ZigBee無線傳感器網絡采用星型連接，由一個協調器、若干路由器和若干終端設備構成，系統基本設計結構如圖1所示。

圖1 系統基本設計結構Fig.1 Basic design structure of the system

2 智能校園無線溫度采集系統

2.1 系統的硬件電路設計

本系統硬件電路設計采用模塊化原則，主要包括無線通信模塊和傳感器模塊。

通信模塊中，采用CC2430芯片作為無線通信模塊的主控芯片，輔助外圍電路，用于實現與系統其他模塊的通信。CC2430采用IEEE 802.15.4標準，使用全球公用的公共頻率2.4 GHz[6]。該芯片支持無線收發，具有很高的集成度，體積小，功耗低。單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器。

傳感器模塊的設計中，采用STC90LE58AD40I作為主控芯片，其用來收集各類傳感器的數據。整機電路設計參考Chipcon公司 （已在2006年被美國德州儀器TI公司收購）和成都無線龍公司應用方案，如圖2所示[5，7]。

圖2 整機電路Fig.2 The circuits

2.2 系統的軟件設計

本系統軟件設計也采用模塊化的設計原則，由傳感器模塊、終端節點、控制中心幾部分程序構成。系統的軟件開發基于TI／Chipcon公司免費提供的ZigBee2006協議棧，在IAR Embedded Workbench集成開發環境中進行編譯。

傳感器模塊完成溫度數據的采集和存儲，并把數據發送給ZigBee終端節點。傳感器模塊的程序編譯在keil上進行，流程圖如圖3所示。可以定義一個數組Sense Data來存放采集的數據。由于溫度傳感器屬于模擬信號輸出型，而單片機只能對數字信號進行處理，因此使用函數Get_Adc_Result，通過ADC把模擬信號量化成數字信息。采集信息完成后，使用串口把數據發送到終端接點，通過調用函數SendData實現發送數據串功能。

圖3 傳感器模塊程序流程圖Fig.3 The flow program of Sensor module

終端節點采用串口通信方式接收傳感器模塊發送來的數據，接收完成之后，再把這些數據通過ZigBee網絡轉發給控制中心。終端節點的軟件設計流程如圖4所示。在Z-Stack協議棧中，應用層通過調用AF DataRequest函數來實現。

圖4 終端節點程序流程圖Fig.4 Flow program of the End-device

控制中心即網絡中的協調器。其功能主要是建立ZigBee網絡，數據的接收和轉發以及和管理中心（PC機）通過串口進行通信。其流程圖如圖5所示。協調器的軟件設計中包括兩部分：通過ZigBee網絡接收終端節點發來的信息、通過串口把這些信息發送給PC機。

2.3 系統調試結果

終端設備將采集到的溫度境數據經路由器選擇路徑，由ZigBee無線網絡發送到協調器，并顯示出來，如圖6所示。

3 結束語

圖5 協調器程序流程圖Fig.5 Flow program of the coordinator

圖6 協調器顯示溫度信息實物圖Fig.6 Real figure of the temperature informationdisplayed by the coordinator

本設計以CC2430和STC90LE58AD40I為核心，采用DS18B20溫度傳感器獲取數據，基于低功耗、大容量的ZigBee無線自組織自愈網絡實現無線數據傳送，測量的數據準確、實時性強且成本低廉，特別適用于構建智能校園中學生宿舍、教師辦公區、實驗區等公共場所的防火安全系統。

[1]ZigBee Alliance， Inc.ZigBee Specification，053474r17[R].ZigBEE Alliance，Inc，2007

[2]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[3]蔣挺，趙成林.ZigBee紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

[4]昂志敏，金海紅，范之國，等.基于ZigBee的無線傳感器網絡節點的設計與通信實現 [J].現代電子技術，2007，30（10）：47-49.ANG Zhi-min，JIN Hai-hong，FAN Zhi-guo，et al.The design and communications implementation of the nodes in Wireless Sensor Network based on ZigBee[J].Modern Electronic Techniques，2007，30（10）：47-49.

[5]成都無線龍通訊科技有限公司.ZigBee開發平臺應用說明[S].成都：成都無線龍通訊科技有限公司，2010.

[6]馬永強，李靜強，馮立營.基于ZigBee技術的射頻芯片CC2430[J].單片機與嵌入式系統應用，2006（3）:45-47.MA Yong-qiang，LI Jing-qiang，FENG Li-ying.The radio frequency chip CC2430 based on ZigBee technology[J].The application of Single-chip Microcomputer and Embedded System，2006（3）:45-47.

[7]Texas Instruments.CC2430 A True System-on-Chip solution of 2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigbBee[EB/OL].（2010）[2011]http://www.ti.com/lit/ds/sym link/cc2430.pdf.2011/2010.