基于CC2530的ZigBee無線組網溫度監測系統的設計

麥 軍，鄧巧茵，萬智萍

（中山大學新華學院 信息科學系，廣東 廣州 510520）

現代生產、生活都與溫度息息相關，溫度作為人們日常生活指標，影響著人們的行為活動，根據溫度高低的不同繼而進行應對，溫度也影響著各種生命資源的存在，溫度是構成地球上多種多樣生命的重要因素之一。在住宅小區、寫字樓、超市、溫室種植場、煤礦井等等環境下都需要進行溫度的監測[1]，確保所有人的生命安全和權益。當下計算機技術和無線通信技術的快速發展，使得物聯網技術、嵌入式技術等都得到了很好的應用，智能化的設計變得越來越受人們所追捧，更多的人才投入到這一領域上來，為物聯網技術、嵌入式技術等當今比較熱門的技術提供了很好的前提條件。ZigBee技術是現時熱門技術之一，因其具有低功耗、低成本、可靠等特點，因此在物聯網領域得到很好的應用[1]。針對溫度分布的不均勻性，設計一個采用ZigBee技術組建的無線傳輸網絡進行數據傳輸，可以很好地實現多點溫度的實時監測，增大測量范圍和測量的準確性。

1 系統整體架構的搭建

系統主要由溫度采集處理模塊、CC2530無線傳輸模塊、ZigBee通信模塊、上位機模塊等幾部分組成。

1.1 系統模塊功能的介紹

1）溫度采集處理模塊：使用DHT11傳感器實現溫度的測量，測量所得到的數據傳輸至ARM處理器進行分析，獲得用戶最終所需的溫度表示形式。

2）CC2530無線傳輸模塊：CC2530芯片組合 CC2591射頻前端實現范圍更廣的無線傳輸網絡，監測更多的溫度數據。

3）ZigBee通信模塊：采用ZigBee協議組建無線傳輸網絡，實現短距離，低能耗，更多節點的溫度數據通信。

4）上位機模塊：將下位機收集到的溫度數據結合圖形的方式，實時地呈現給用戶。

1.2 系統整體的設計

系統的總體框架如圖1所示。系統采用ZigBee協議建立無線通信的星形自組網絡，CC2530芯片負責進行數據的無線傳輸，所有的節點上均裝有CC2530芯片和CC2591射頻前端。整個系統只需一個主模塊負責收集各個節點傳送過來的溫度數據，然后通過RS232串口實現與上位機的通信，便可以供用戶監測某段時間內，某一節點溫度變化情況。

2 系統硬件的設計

2.1 無線通信網絡的設計

2.1.1 CC2530無線傳輸模塊

圖1 系統總體框架圖Fig.1 Structure diagram of the system

系統最核心環節就是實現數據的無線通信，傳輸模塊采用德州儀器（TI）公司制造的無線射頻收發芯片CC2530作為硬件核心。CC2530芯片內部集成IEEE 802.15.4標準，是支持 ZigBee應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案，具備工作頻段為2.4 GHz的優越RF收發器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，其可編程輸出率高達4.5 dBm[2]；CC2530內部集成低功耗的增強型8051 MCU內核，具有256KB的Flash ROM和8KB的RAM，具備在各種電源管理模式下的數據保持能力；片外設有8通道輸入并可配置的12位A/D轉換器，2個支持多種串行通信協議的強大USART接口，21個通用的GPIO引腳（19個4 mA，2個20 mA），看門狗電路，具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時器，3個通用定時器 （1個16位，2個8位），高級加密標準（AES）安全協處理器等，支持ZigBee協議棧的功能；CC2530工作在-40～125℃的范圍內，CC2530支持2.0～3.6 V范圍的電源驅動，數據傳輸速率達250kbps[3]，具有工作、休眠和中斷3種模式，其從休眠模式轉到工作模式只需極短時間，消耗功率極低，滿足了本系統進行溫度數據傳輸時對電池壽命長和低功耗的要求。CC2530電路原理圖如圖2。

圖2 CC2530電路原理圖Fig.2 Schematic circuit diagram of CC2530

為了增大數據的傳輸范圍，因此增加一級功率放大器，設計選取了同為德州儀器（TI）公司所推出的一款高性能RF前端的低功耗的工作在2.4 GHz的射頻設備CC2591[2-3]，輸出功率可高達22 dBm，通過使CC2591內部的LNA工作在高增益的環境，能夠進一步抑制NF并提高系統的接收靈敏度，而且CC2591具備自動休眠和喚醒的功能，減輕了系統的耗能；通過放大電路實現功率放大后，在空曠場地的信號傳輸距離最高可達2 000 m[4]，有效地增大溫度數據采集的范圍。本系統測試在30 m的距離下進行溫度數據采集得到很好的效果。CC2591電路圖與連接圖如圖3。

2.1.2 ZigBee組網技術

ZigBee作為一種新興的雙向無線通信技術，是建立于IEEE 802.15.4無線個域網的標準，使用全球統一無需申請的2.4GHz頻段[4]。ZigBee協議主要由物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL）組成，其中遵循IEEE802.15.4標準的有物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC），網絡層（NWK）與應用層（APL）由 ZigBee 聯盟制定[5]。

圖3 CC2591電路圖與連接圖Fig.3 Circuit and the connection diagram of CC2591

ZigBee作為一種短距離無線自組網通信技術，以其具有低成本、低功耗、安全性高、低速率、結構簡單、快速可靠等特點，廣泛用于工業自動化、智能家居、農林業等領域[6]。當ZigBee節點不處于工作狀態時自動處于休眠狀態，表現出ZigBee快速、低功耗等特點，標準的使用情況下壽命可達6～24個月或更長[7]，ZigBee中一個主節點支持255個子節點[5]，并且每個節點分配有唯一的通信地址，組建一個ZigBee網絡最多可擁有65 000個節點，過程中可以動態地增加新節點，多個ZigBee網絡進行連接還可組建成規模更大的無線通信網絡[8]，采用ZigBee技術可以很方便地實現分布式的溫度監測，使系統壽命更長久，數據傳輸更安全可靠。ZigBee傳輸網絡有3種拓撲形式如圖4所示。

圖4 ZigBee 3種網絡拓撲結構圖Fig.4 Structure diagram ofthe ZigBee three network topology

1）星形。整個ZigBee網絡以一個節點為主節點，負責接收來自其余所有節點的數據，并且與其他擴展模塊實現通信，就像一個星星由中心向周圍發散，成本低且功耗少。

2）樹形。同樣地具有一個主節點，但數據傳送的形式是由上而下，其余的節點以枝葉的形式鄉下散開進行數據傳送，網絡覆蓋范圍大。

3）網狀。形狀和傳送形式與樹形的相似，但網狀的數據可在枝葉之間相互傳送，連成一個個的回路，組成網的形狀，可靠性高。

2.2 溫度采集模塊的設計

2.2.1 LPC1114芯片

本系統負責溫度采集的節點采用NXP公司ARM Cortex-M0內核的LPC1114微處理器[9]將采集回來的溫度數據進行分析計算。作為嵌入式應用高性能、低功耗、低成本的32位微處理器，主頻可達到50 MHz，片內集成32KB的Flash，8KB RAM，8道 10ADC，4個通用定時器，1個響應快速的IIC接口，共有42個GPIO引腳[9]。LPC1114具有在內核時鐘停止的情況下仍繼續正常運行的睡眠模式，內核掉電情況下可選擇性進行掉電或運行的深度睡眠模式和處理器停車運行的深度掉電模式。

2.2.2 DHT11溫度傳感器

系統采用DHT11數字溫度傳感器監測溫度變化，作為一款高性價比的溫度傳感器，內部集成一個高性能8位微型單片機[10]，與其內部的濕敏元件和熱敏電阻接在一起，微型單片機把接收到的模擬量轉化成數字量。DHT11作為一款新型單總線數字溫度傳感器，工作在3.5～5.5 V，溫度測量范圍在0～50℃，精確度±2℃。DHT11用單線制串行接口，簡化了系統的連接，具有體積小、響應快、控制簡單、低功耗、很強的抗干擾能力，信號可傳達20 m以上等特點[10]。

DTH11通信采用串行的單線雙向通信，數據分為整數和小數兩部分，每次通信大概經歷40 ms左右，DHT11只需要使用5 kΩ上拉電阻在數據線長度短于20 m與微處理器進行連接，當大于20 m時選擇適合的上拉電阻即可[10]。在微處理器開啟與DHT11通信，DHT11發生響應后切換至高速模式，實現快速通信；當數據的發送和接收結束后DHT11立即切換回低功耗模式。DHT11外表圍著一個帶格柵的塑料外殼，減少使用時與外界中有害的化學物質接觸，實現長期穩定地工作。

3 上位機的設計

上位機軟件使用C#語言進行開發，語言環境使用Visual Studio 2010，核心控件為serialPort timer chartControl，以串口的形式實現模塊間的通信。

3.1 DHT11傳感器部分的程序

DTH11溫度傳感器的數據正確傳送時通信的格式為：8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據+8位校驗和數據，具體程序如下：

3.2 上位機的測試

在主模塊收集好各個節點的數據，經過RS232串口把采集數據發送到電腦上。RS232通信接口電路采用串行通信方式。傳輸的數據經RS232串口轉USB串口發送到電腦端，電腦串口接收數據，打開上位機開始對溫度變化進行監測。對數據的采集在上位機顯示溫度變化的圖表。測試效果如圖5～6所示。

圖5 上位機打開后顯示的界面Fig.5 Interface chart of the PC

圖6 上位機開啟系統接收溫度數據圖Fig.6 Interface chart of PC receiving the temperature data

4 結束語

本系統采用低功耗、低成本的CC2530組建的ZigBee無線傳輸網絡實現對傳感器數據可靠安全的傳輸，而且星型拓撲的節點設計能夠對任意位置的溫度數據進行采集。整個系統不僅應用到低功耗的元器件，減少了設計的成本，增加使用的壽命；而且測量的范圍很大，實時地對遠距離數據進行收發。經過各個模塊之間的友好工作，最終主模塊把采集好的數據發送到上位機，在上位機進行顯示和處理，清晰地把數據告訴用戶。本系統能夠靈活應用于各種需要進行溫度監測的領域上，移植性高。系統設計經驗證后表明還系統能基本實現對環境溫度數據變化的采集，滿足環境溫度監測的需求，成本低，功耗低，復雜程度較低，能夠容易地實現對溫度數據的實時采集，給溫度采集系統提供了一個很好模型進行參考，能夠給更多人進行學習，實現進一步地對其進行優化和擴展，體現出整個系統的設計價值、實用價值和很好的應用前景，促進物聯網技術的發展，為人們的生活帶來更大的方便，提升生活的質量。

[1]任珍文，黃玉清.基于CC2530的無線傳感器網絡監控平臺[J].電子技術應用，2012，38（10）:122-125.

[2]徐健，楊珊珊.基于CC2530的ZigBee協調器節點設計[J].物聯網技術，2012（5）:55-57.

[3]王鑫，潘賀，楊簡.基于CC2530的ZigBee無線溫濕度監測系統設計[J].中國農機化學報，2014，35（3）:217-220，238.

[4]朱延凱，李振璧，盧軍，等.基于ZigBee技術的煤礦井下監控系統[J].煤礦機械，2014，35（4）:212-215.

[5]蔡利婷，陳平華，羅彬，等.基于CC2530的ZigBee數據采集系統設計[J].計算機技術與發展，2012，22（11）:197-200.

[6]衣翠平，柏逢明.基于ZigBee技術的CC2530糧庫溫濕度檢測系統研究[J].長春理工大學學報：自然科學版，2011，34（4）:53-57.

[7]原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術的無線網絡應用研究[J].計算機應用與軟件，2004，21（6）:89-91.

[8]李正民，張興偉，柳宏川.基于CC2530的溫濕度監測系統的設計與實現[J].測控技術，2013，32（5）:25-39.

[9]王鐵流，沈京，張強永，等.基于MEMS傳感器的輸電桿塔傾擺安全監測技術[J].測控技術，2013，32（5）:5-8，11.

[10]李長有，王文華.基于DHT11溫濕度測控系統設計[J].機床與液壓，2013，41（13）:97，107-108.