基于Zigbee的水產養殖溫度監控的設計與實現

陳集炎，呂曉峰，韋江華，曾 源

（1.廣西科技大學 計算機科學與通信工程學院，廣西 柳州 545006；2.寶雞文理學院 電子電氣工程學院，陜西 寶雞 721016）

在近代以及目前發展的無線通信技術中，Zigbee技術發展越來越廣泛。以Zigbee無線傳感網絡方式構建的新一代通訊網絡，在現代生活中已經得到了廣泛的應用。目前開發的短距離無線通信技術中，無線傳感網絡可以說是一種具有很大的實用價值通信技術。對于目前追求低功耗、成本低的無線傳感網絡是非常適宜的。本課題主要研究利用最新的Zigbee無線傳感網絡水產養殖環境溫度進行采集傳輸，以達到實時遠程監控。課題研究內容包括：終端傳感節點采集養殖場的實時溫度，處理后將無線發送給協調器，協調器再通過串口傳輸給上位機終端顯示并預警。

1 關鍵技術及協議

1.1 ZigBee無線技術簡介

ZigBee技術的研發是以IEEE802.15.4為基礎，Zigbee技術的研發主要是關于安全、組網和應用軟件。第一份ZigBee規范“ZigBee Specification V1.0”于2005年Zigbee聯盟公布。該聯盟定義的標準定義了IEE802.15.4的媒體訪問控制層與物理層的支持與網絡上的應用服務。ZigBee無線通信技術具有以下特點：

1.1.1 成本低功耗低

Zigbee頻段是免費使用的，無需繳納專利費，而且Zigbee協議棧的源代碼是開元的，此外，Zigbee射頻芯片價格低廉，這極大了降低了研究成本。芯片供電3.3 V的供電可以滿足，在節點設計上，一個節點工作半年時間也只需要2節5號干電池提供電源。Zigbee具有工作周期長的優勢，是目前WIFI、藍牙等無線技術無可媲美的。

1.1.2 速率低延時短

對于低速率數據傳輸的應用要求，Zigbee在2.4 GHz提供的的數據吞吐率為250 kbps，傳輸速率在20～250 kbps之間。目前的藍牙技術與WIFI技術從睡眠轉入工作狀態需要3～10 s和 3 s，而 Zigbee 只需要 15ms，相對而言，Zigbee 的響應速率是比較快的。

1.1.3 距離短容量高

Zigbee無線傳輸在視距理論上是100m，而增加路由節點可以增長傳輸距離。Zigbee可以進行多節點組網，最多可以設計65000個節點，每一個中心節點匯聚若干個254個節點，并且可以由高層節點向下層節點進行管理。在Zigbee整個傳感網絡中，我們可以采用星狀、片狀和網狀等網絡結構進行組網。

1.1.4 安全高免費照頻段

ZigBee在無線通信技術中具有很高的安全性，其具有三級安全模式：采用高級加密標準（AES 128）的對稱密碼、使用訪問控制清單（防止非法獲取數據）及無安全設定。2.4 GHz是全球免費工業、醫療、科學使用頻段。2.5 GHz頻段的信道帶寬為5 MHz，具有16個信道。

2 總體設計方案

我國水產養殖正在往集中型的大規模養殖發展，針對有規模的水產養殖，Zigbee的無線監控系統可以發揮很大作用。通過在養殖場的分布溫度傳感節點，傳感節點可以實時監測水溫，經無線協議傳輸給協調節點，距離遠的節點可以通過添加路由節點以達到遠距離的溫度傳輸。協調節點在通過組網接收到各傳感節點的數據后經過串口傳輸給PC機，供上位機顯示和預警。

設計中，主要有傳感節點、路由節點和協調節點組網組成系統，進行無線傳輸，其中路由節點和傳感節點的低功耗可以進行電池供電，協調節點直接連接監控端可由監控端供電。

2.1 芯片選擇

本設計選用的Zigbee芯片為TI公司的CC2530，CC2530是目前Zigbee設計運用中使用最多的無線射頻芯片，它是目前一個真正用于IEEE802.15.4協議標準，RF4CE以及Zigbee應用的片上系統（SoC）解決方案。CC2530內核結合了增強型的8051 CPU，同時具有8KB RAM，其系統可以編程閃存。在設計發展中，CC2530設計上有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。它是目前同類芯片中能夠以非常低的硬件成本設計建立一個龐大的無線節點網絡。同時，為了適應不同功耗要求，CC2530也設計有不同的運行模式，滿足低功耗要求，在主動模式即CPU空閑時，接收時電流為24 mA，發送時電流為29 mA；供電電壓范圍為2～3.6 V。在滿足低功耗的同時，它在不同模式的轉換時間也非常短。

2.2 溫度傳感器

DS18B20是一款常用的，可以應用于多場合的溫度傳感器，防水型的封裝可以在潮濕、水浸、腐蝕等環境下使用，精度也高，可滿足設計要求。其性能特性為：DS18B20在實現與微處理器雙向通信時只需要一條口線連，這種單線接口方式的獨特設計，非常便于設計應用；正常測溫有誤差，一般為1℃，在非極限測溫范圍 －55℃～+125℃，具有一定的精確性；可以進行多點組合功能，可以最多八個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，從而實現多點測溫（不能過多的原因是并聯多會使電源的供電電壓低，影響數據信號的的不穩定傳輸；適用于DN15～25，DN40～DN250各種介質工業管道和狹小空間設備測溫；在設計使用中不需要任何外圍元件便可以完成設計；測量結果以串行方式進行9到12位數字量的方式傳送；工作電源:3.0～5.5V/DC。

3 硬件系統設計

3.1 協調器節點設計

ZigBee協調器主要用于建立網絡并組網管理節點，其電路設計包括：一個CC2530芯片處理模塊、一個串口模塊、一個JTAG接口/復位模塊、一個電源模塊、LED指示燈模塊等，結構如圖1所示。

圖1 協調器節點結構Fig.1 The coordinator node structure

電源模塊：Zigbee模塊工作電壓為3.3 V，外部供電為5 V輸入，需要AMS1117—3.3電源穩壓芯片進行穩壓。

串口模塊：下載程序和調試通信兩個作用，采用MAX232做RS232電平與TTL電平的轉換芯片，MAX232有兩路電平轉換。

3.2 路由節點設計

路由節點作用于協調器與傳感節點之間，以達到更遠距離的傳輸，其工作主要由協議完成，電路設計只需外接LED指示燈、復位電路以及電源接入即可。路由節點結構如圖2所示。

圖2 路由節點結構圖Fig.2 Routing node structure diagram

3.3 傳感節點設計

傳感節點主要用于檢測水溫，并無線發送給處理端，電路設計主要測溫模塊、復位模塊、LED指示模塊、電源模塊。傳感節點的結構如圖3所示。

測溫模塊：測溫傳感器為防水型的DS18B20，其輸出為數字量，只需要一條線就可以實現與處理器的通信。電路設計如圖4所示。

圖3 傳感節點結構圖Fig.3 The sensor node structure diagram

圖4 測溫模塊Fig.4 The temperaturemeasurementmodule

4 軟件系統設計

4.1 軟件系統的總體結構

本設計采用的組網的網絡拓撲結構為樹形結構，主要由協調節點、路由節點、傳感節點組成。傳感節點負責采集數據并發誓給協調節點，路由節點主要為遠距離的傳感節點轉發數據給協調節點，協調節點將接收的數據再上傳給PC機。系統的流程圖如圖5所示。

圖5 系統的流程圖Fig.5 Flow chartof system

4.2 協調器軟件設計

協調器主要負責建立傳感網絡和管理網絡，為加入傳感節點分配地址，其啟動工作流程圖如圖6所示。

圖6 協調器工作流程圖Fig.6 The coordinatorwork flow chart

4.3 路由節點軟件設計

路由節點負責為傳感節點的數據轉發。其流程圖如圖7所示。

5 上位機設計

本系統上位機設計為VB語言設計，Visual Basic是目前一種應用于圖形界面比較多的開發語言，它衍生于BASIC編程語言。VB用有快速應用程序開發和圖形用戶界面開發系統，它是微軟開發的，用于協助開發環境的驅動編程語言。在現在的使用標準來說，VB是目前世界上使用者對多的語言，在目前圖形化界面開發來說，VB是比較好的開發語言較容易應用ADO、DAO、RDO輕松創建ActiveX控件和連接數據庫。對于想快速建立一個應用程序，VB將會是一個很好的選擇。本設計的上位機制作，VB是一個很好的選擇。上位機設計如圖8所示。

圖7 路由節點流程圖Fig.7 Routing node flow chart

圖8 上位機設計Fig.8 Design of host computer

6 結束語

采用的是基于Zigbee的溫度監控設計，測溫用的是防水型的DS18B20數字溫度傳感器。通過DS18B20傳感器進行溫度檢測，輸出數字量，CC2530數據處理模塊進行處理后無線發送給協調端節點，協調端節點再通過串口傳輸給監控端，完成系統的監控工作，為了進一步提高性能，系統有優化和改進的空間。

[1]超建領，薛圓圓.51單片機開發與應用技術詳解[M].北京：電子工業出版社，2009.

[2]高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[3]樊春富，王保蓮.淺談無線局域網技術 [J].信息技術，2005，29（11）:113-115.FAN Chun-fu，WANG Bao-lian.Discussion on the technology ofWLAN[J].Information Technology，2005，29（11）:113-115.

[4]范逸只，陳立遠.Visual Basic與RS-232串行通信控制[M].北京：清華大學出版社，2002.

[5]韋東山.ARM嵌入式應用開發完全自學手冊[M].北京：電子工業出版社，2009.

[6]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.