基于ZigBee的監控系統的設計

熊萬

摘要：隨著科技的發展，無線通訊技術逐漸應用于社會的各個領域，ZigBee技術便是一種較新的技術，應用于短距離的無線通信。

關鍵詞：zigbee；CC2530；智能監控；無線傳感器網絡

引言

如今的社會正在逐步的走向智能化，不論是在工業方面還是在家庭設備上。同時在生產和生活方面一些外界的因素也起著決定性的因素，例如溫度，濕度，光照強度以及氣體濃度等都起著主導地位。因此就需要在這方面安裝檢測設備來對其進行實時的監控，并且能在指標超出規定的范圍時進行報警并作出相應的處理。由于需要檢測的點很多，如果用傳統的有線傳輸不僅費用很高，而且也不易安裝和維護。因此我們可以用ZigBee實現這一監控系統的設計，其成本低廉，適用于短距離傳輸且準確精度高。

一、系統總體方案設計

根據監控系統的特點和要求，設計出了具有1個協調器（中心控制節點）和3個

終端節點（傳感器節點）的無線傳感器網絡。整個系統由PC機、協調器和終端節點組成。

PC機通過RS232與協調器進行串口數據的交換，其中協調器是整個網絡的核心。傳感器節點所獲得的數據均發送給協調器，然后由協調器發送給PC機。同樣PC機下達的指令也是通過串口先發送給協調器，然后在有協調器發送給終端節點。

二、系統硬件設計

（一）、主控制器CC2530簡介

CC2530單片機是一款完全兼容8051內核，同時支持IEEE 802.15.4協議的無線射頻單片機。內部具有8KB的RAM，32-、64-或128-KB 的系統內可編程閃存且支持硬件調試。其還擁有強大的5通道DMA，1個16位定時器，2個8位的定時器，1個MAC定時器專為MAC或其他協議而設的定時器，可以跟蹤已過周期，同時可以記錄收發某一的幀精確時間和傳輸結束時間，以便產生不同的選通命令到無線模塊。還具有8路輸入和可配置分辨率的12位ADC，2個支持多種串行通信協議的強大USART，21個通用I/O引腳。并且CC2530用128位的AES算法進行加密或解密數據，從而保證了ZigBee網絡層和應用層的安全要求，保證了通信的安全性能。

（二）、協調器與終端節點電路設計

協調器和終端節點在硬件電路設計上是一樣的，我們通過不同程序來實現協調器與終端不同的功能，具體是如何實現的我們將在下一節進行講解。由于CC2530芯片內部已經具有了CPU和內存相關模塊，外設、時鐘和電源管理相關模塊以及無線信號收發相關模塊，因此我們只需要很少的外接元器件并可以實現2個ZigBee節點之間的無線通信。

（三）、傳感器的選擇

溫度傳感器采用DS18B20，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高的特點。

獨特的單線接口方式，在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。測溫范圍-55℃～+125℃，固有測溫誤差1℃，并且在使用中不需要任何外圍元件。

濕度傳感器采用DHT11濕度傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保其具有極高的可靠性和長期的穩定性，其測量濕度的范圍在20-90%RH，且測量的精度在±5%RH。

人體紅外傳感器采用HC-SR501，采用LHI778探頭設計，靈敏度高，可靠性強，廣泛應用于各類設備，低功耗，適用于干電池供電的自動控制產品。

最后的照明系統的設計則是通過繼電器來對臺燈進行控制，通過控制繼電器的通斷電來對臺燈進行開關的控制。

三、系統軟件設計

（一）、ZigBee協議棧簡介

在訪問互聯網的時候，首先在硬件上需要具有網卡，在軟件上則通過TCP/IP協議來進行通信。同樣的道理，運用ZigBee網絡進行通信的時候，在硬件上用到的是支持ZigBee底層協議的芯片CC2530，在軟件上用到的是ZigBee協議棧。所謂的協議就是一系列的通信標準，通信雙方需要共同按照這一標準進行正常的數據的收發；而協議棧則是協議的具體實現形式，通俗的理解為用代碼實現函數庫。

（二）、協調器程序設計

這里使用的是ZigBee 2007協議棧，并且在IAR For MCS-51的環境中采用C語言進行編程。協調器在上電后，先進行板載硬件以及協議棧的初始化，然后調用OSAL_start_system（ ）函數開始運行操作系統，由于協調器需要建立ZigBee通信網絡的功能，因此調用ZDO_startDevice（ ）函數組建Z igBee網絡。當網絡組建完成后向用戶發送ZDO狀態改變事件消息ZDO_STSTE_CHANGE，接著系統就進入用戶處理函數App_ProcessEvent（ ）對此事件進行處理，處理完畢后再跳到OSAL_start_system（ ）函數中等待事件的發生。當PC機通過串口給協調器發送數據時，此時就會產生CMD_SERIAL_MSG事件，接著進入對應的處理函數中。當終端節點發送數據給協調器時，AF_INCOMING_MSG_CMD事件就會被觸發。

（三）、終端節點程序設計

終端節點在上電后，先進行一個系統的初始化，隨后搜索附近是否擁有協調器組建好的ZigBee網絡，如果擁有則會發送消息要求加入其網絡。當終端節點成功的加入ZigBee網絡以后會獲得一個在該網絡中16位短地址，該短地址在此協調器建立的網絡中是唯一的。協調器通過該短地址可以區分出不同的終端節點，并且可以通過短地址與終端節點之間進行點對點的通信。

（四）、上位機軟件設計

上位機軟件的主要功能是與位于監控室中的中心控制節點通過RS- 232串行口進行通信，從而接收傳感器節點的信息。另外，上位機軟件還要實現人機交互、傳感器信息接收、數據處理與分析和數據庫管理等功能。

四、系統測試結果

通過3個傳感器節點在室內的3個不同的地方分別對周圍環境中的溫度、濕度、周圍是否有人以及對照明系統的狀態進行監控的測試。實驗的結果表明該系統完全可以對這些因素進行監控，通過返回給上位機的數據來看，數據也都是實時的準確無誤的上傳上來。而且具有接線簡單，性能穩定可靠，測量精度高的特點。實驗結果如圖1所示。

五、結語

本文提出的基于ZigBee的監控系統的設計方案，通過無線的方式對不同地點的周圍環境的數據信息進行采集并通過PC機準確的將信息顯示出來。其結果表明ZigBee無線傳感器網絡的測控系統，具有可靠性高、抗干擾性好、功耗小和成本低的特點，能夠滿足監控系統的需要。

參考文獻：

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