基于MSP430和CC2520無線溫濕度監測系統設計

貴州電子信息職業技術學院電子工程系 嚴崢暉

一、引言

隨著社會經濟的發展，在很多場合需要對環境溫濕度進行監測。傳統方法大多采用有線連接方式，在各個監測點放置溫濕度傳感器，鋪設光纖或者電纜構成有線網絡。但是，當監測點較多情況下，布線繁瑣、維護困難，系統的成本高、靈活性差。因此使用無線的方式進行數據的采集和傳輸是比較理想的，而基于ZigBee技術的無線傳感器網絡具有可快速部署、無人值守、功耗小、成本低等優點，十分適合于構建多點溫濕度監測系統。

本文基于ZigBee協議設計了用于溫濕度監測的無線傳感器網絡節點，采用超低功耗微控制器MSP430F2618和射頻收發器CC2520構成節點的方案，在TI公司的免費協議棧Z-Stack基礎上，構建了應用于無線溫濕度監測的ZigBee傳感器網絡。

二、無線傳感器網絡與ZigBee協議

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量體積小、成本低，具備感知信息、數據處理、無線通信能力的微型傳感器節點組成，各個節點以自組和多跳方式構成無線網絡，能夠實時監測、感知和采集網絡分布區域中被感知對象的信息，并對信息進行處理后傳輸給感興趣的用戶。無線傳感器網絡在國防軍事、環境科學、醫療健康、智能家居等方面具有廣闊的應用前景，無線傳感器網絡的發展和應用將會給人類社會帶來深刻的變革。

圖1 溫濕度監測系統結構圖

圖2 溫濕度監測節點硬件圖

ZigBee無線傳感器網絡是基于IEEE 802.15.4技術標準和ZigBee網絡協議而設計的中短距離、低速率無線數據傳輸網絡。ZigBee無線傳感器網絡的特點是：射頻傳輸成本低，各節點只需要很少的能量；功耗低，適于電池長期供電；可實現一點對多點、兩點間對等通信；具有快速組網自動配置、自動恢復和高級電源管理功能；任意個傳感器之間可相互協調實現數據通信。ZigBee無線傳感器網絡具有廣闊的應用前景，適用于工業控制、現代化農業監控、環境監測、數字家庭、智能樓宇控制等領域。

三、系統結構概述

ZigBee采用的網絡拓撲結構有星型、網狀與簇狀。星型適合網絡節點較少、網絡結構簡單、小范圍的網絡應用。網狀和簇狀結構屬于點對點結構，支持Ad Hoc網絡，可以構造更為復雜的網絡結構。

ZigBee網絡中，按照設備所具有的通信能力分為全功能設備FFD和精簡功能設備RFD。根據設備在網絡中承擔任務的不同，可以分為網絡協調器、網絡路由器和網絡終端。網絡協調器和路由器由FFD組成，網絡終端由RFD設備。其中網絡協調器負責網絡的建立與配置；網絡路由器負責建立與維護路由、轉發網絡數據；網絡終端功能較為簡單，具有加入、退出網絡，發送和接收網絡數據。

本系統主要由一個溫濕度數據采集器（網絡協調器）和分布安裝的溫濕度監測節點（網絡終端）組成一個星型網絡結構。數據采集器通過發送命令字使分布在各處的監測節點與其同步，控制監測節點周期性地進入低功耗狀態以省電。監測節點將實時的溫濕度值通過ZigBee網絡信道傳送給數據采集器，再通過串行通信接口或者以太網與PC連接，從而實現各監測點溫濕度的實時采集。溫濕度監測系統結構如圖1所示。

四、網絡節點設計

監測節點由傳感器單元、處理器單元、無線通信單元與能量供應單元組成。本設計中采用數字溫濕度傳感器SHT11構建傳感器單元，負責監測區域內溫濕度信息的采集；采用16位低功耗微控制器MSP430F2618構建處理器單元，負責處理和存儲采集的數據；采用TI公司的低功耗射頻收發器CC2520構建無線通信單元，負責與數據采集器進行無線通信；能量供應單元使用微型紐扣電池為監測節點提供運行所需能量。溫濕度監測節點硬件框圖如圖2所示。

圖3 數據采集器與溫濕度監測節點的軟件流程

1.溫濕度傳感器SHT11

SHT11是單片集成化數字溫濕度傳感器，將傳感元件和信號調理電路集成于芯片內部，輸出完全標定的數字信號，采用I2C總線通信。采用該傳感元件可以節省A/D轉換器件、減少微控制器端口的占用，具有電路結構簡單、檢測準確、穩定性好、成本低以及性價比高等優點。

2.微控制器MSP430F2618

TI公司MSP430系列微控制器是超低功耗、16位RISC混合信號處理器，該系列芯片專為低功耗應用而精心設計，很適合用于長時間電池供電的場合。MSP430F2618非常適合在低功耗ZigBee網絡中工作，該芯片集成了120KB的片上存儲器，支持20位地址字，從而可以支持較復雜程序的開發。具備1.8~3.6V的寬泛工作電壓范圍，0.5μA的待機功耗，靈活的時鐘架構可使設計人員能根據應用調整處理器速度與工作電壓，從而優化電池的使用壽命。

3.射頻收發器CC2520

TI公司的CC2520是第二代的ZigBee/IEEE802.15.4射頻收發器，主要用于企業、科學研究與醫療部門等的2.4GHz免費頻段，具有較高的靈敏度和共存性能、極高的連接性能，并可低電壓工作。同時，CC2520為各種應用提供了廣泛的支持，包括幀處理、數據緩沖、突發傳輸、數據加密、數據認證、空閑通道評估、鏈接質量指示以及幀定時信息等，從而減輕了處理器單元上的負載。

4.數據采集器（網絡協調器）

數據采集器承擔著組織管理網絡和收集監測節點的數據并上傳給PC機的任務，是一個ZigBee全功能設備，根據監測節點數量的不同，所需要的資源也有所不同。本設計中由于監測節點數量不多，所以數據采集器硬件設計相對簡單，在監測節點硬件的基礎上去除傳感器單元，配備RS-232接口以便與PC機連接，其他與監測節點硬件結構相似，但由于使用了穩定的電源供給，毋須考慮功耗的問題。

五、組網與通信

ZigBee/IEEE802.15.4標準分層架構參照OSI七層模型的基礎上根據實際應用需要來定義，分層結構中各層為上一層提供一系列服務：數據實體提供數據傳輸服務，管理實體提供其它服務。IEEE 802.15.4負責介質訪問控制層和物理層的定義，ZigBee聯盟在此基礎上制定了網絡層和應用層的框架結構。ZigBee技術的應用可以獨立完成全部ZigBee協議軟硬件的開發，實現應用系統與ZigBee網絡的無縫連接；也可以使用支持IEEE 802.15.4協議的無線模塊，自行開發ZigBee協議的網絡層和應用層軟件，實現與系統其他部分的整合；也可以購買帶有完整ZigBee協議的無線模塊，或者通過免費的協議棧工具，實現ZigBee網絡的構建。

本設計基于通用性及便于開發的考慮，采用了TI公司免費的ZigBee協議棧Z-Stack，它是一個多平臺、全功能的協議棧，包括基于CC2520射頻收發器以及MSP430F2618超低功耗微控制器的平臺。Z-Stack協議棧采用事件輪循機制，基于操作系統的思想來構建，系統初始化后按優先級查詢是否有就緒任務事件，存在就緒任務事件則調用任務事件所對應的處理函數，執行完所有就緒任務事件后進入低功耗模式。Z-Stack提供了大多數任務事件處理函數，用戶只需根據實際需要編寫應用層的任務事件處理函數即可，而不需要大范圍地改動Z-Stack協議的代碼。

數據采集器通電后初始化協議棧，選擇合適的信道，允許ZigBee設備與其連接；溫濕度監測節點通電初始化后，進行信道掃描，尋找數據采集器并與其建立連接。ZigBee網絡建立后，監測節點周期性采集溫濕度數據，通過無線信道傳送給數據采集器。數據采集器接收到各個監測節點的溫濕度數據后通過串口傳輸給PC機，然后通過PC機上的應用程序將采集的溫濕度數據按監測節點的位置分別進行處理、顯示與記錄。數據采集器與溫濕度監測節點的軟件流程如圖3所示。

六、結語

本文基于免費的ZigBee協議棧Z-Stack，采用超低功耗微控制器MSP430F2618和射頻收發器CC2520構建的無線溫濕度監測系統，具有網絡節點體積小、功耗低，并具備良好的兼容性，便于靈活組網，滿足監測系統長時間連續工作的要求。通過實驗測試，該系統達到了設計要求，具有良好的實用性和穩定性，還能夠根據實際需要拓展監測參數與增加監測節點，可廣泛地用于環境監測應用領域。

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