基于ZigBee的多傳感器物聯網智能節點研究

李晶莉，張 雷，周 磊

(揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127)

基于ZigBee的多傳感器物聯網智能節點研究

李晶莉，張 雷，周 磊

(揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127)

智能化溫室是智慧城市的重要組成部分，信息采集又是智能化溫室的重要基礎。針對當前數據采集系統存在的時延和穩定性問題，設計了一種基于ZigBee的物聯網智能節點。通過匯聚節點建立和維護傳感器網絡，實現數據上傳和實時更新；通過兼容多種傳感器的終端節點，完成多種數據的檢測與采集。經測試，在保證系統功能正確性的同時，可有效降低節點通信延時并增加通信距離。

ZigBee；多傳感器接口；信息采集；無線傳感器網絡

0 引言

物聯網技術的發展推動了智能化溫室的建立，多智能傳感器節點的需求不斷增大[1]。為農作物提供科學的生長方案、優化生長環境是智能化溫室的關鍵，而信息的獲取和處理是智能化溫室的基礎，傳統的人工技術存在工作量大、效率低、誤差大和消耗時間長等弊端，已無法滿足人們的需求，新興的無線傳感器網絡有著快速、可靠、安全、拓撲結構可變、網絡容量大和復雜度低等先天的優勢，一躍成為人們的新寵兒[2]。

但國內大多數智能化溫室系統是從國外引進的，價格昂貴，無法適應我國國情的需要。雖然國內在溫室的信息采集與處理方面也進行了很多研究，但研究的系統體系普遍是基于IrDA、GPRS、WIFI和藍牙等傳統無線通信技術[3]。這些無線通信技術雖然有傳輸速度快、傳輸信息量大、傳輸運行可靠和傳輸距離遠的優勢，但它們共同的缺點就是通信費用高、功耗大，所以很難滿足智能化溫室的要求。本文系統的信息采集選用ZigBee技術[4]，與WIFI的大功耗、低安全性，藍牙的單一連接性、設備連接數少，IrDA、GPRS的費用昂貴等問題相比，ZigBee技術集低復雜度、低功耗、低成本和短時延等優點于一身，更適合設計所需[5]。傳統的ZigBee技術，當傳感器網絡急劇擴大時，容易出現網絡通信不穩定、網絡崩潰等問題。

針對當前智能化溫室系統的情況和傳統的ZigBee技術傳輸過程中存在的時延和穩定性問題，本文設計了一種基于ZigBee的物聯網智能節點，該節點不僅能實時采集溫室數據，還能提高系統的穩定性，實現更好的監測。

1 系統總體設計

物聯網智能節點的研究采用美國TI公司的CC2530F256芯片為硬件開發平臺，采用IAR Embeded Workbench為軟件開發平臺[6]。旨在實現一種由各ZigBee節點組成的星型網絡拓撲結構，該結構解決了分散的智能采集點的集中化管理與查詢維護的難題，智能終端可以采集溫度、濕度和光強等數據，通過ZigBee自組網發送給匯聚節點，再由匯聚節點打包發送給網關，網關處理后通過USB發送給上位機，實現多種環境參數的實時監測。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

系統主要分為3個部分：① 系統前端由環境監測傳感器模塊和ZigBee無線收發模塊構成系統數據采集模塊；② 系統中端是STM32組成的嵌入式網關模塊；③ 系統后端是PC機構成的上位機監測系統。

2 節點硬件設計

硬件電路設計主要是對ZigBee無線傳感器網絡中節點的硬件分析。目前，ZigBee網絡中的智能節點存在匯聚節點、路由器和終端3種形態[7]，匯聚節點是整個網絡的中心，負責建立和維護網絡，路由器充當中間人的角色，完成數據的轉發，終端上設有多種傳感器，實現數據信息的采集。為了簡化設計功能，將其合并為匯聚節點和終端節點。

2.1 匯聚節點設計

匯聚節點是整個網絡的匯聚中心，負責建立和維護網絡。匯聚節點基于CC2530芯片，由51內核、UART接口、定時器和I/O口等部件組成，匯聚節點負責將終端節點傳上來的數據進行處理分析，然后通過串口傳送給網關，匯聚節點框架圖如圖2所示。

設計中核心板選用德州儀器(TI)公司最新的CC2530芯片，該芯片結合了高性能的射頻收發器和一個高性能低功耗的8051微控制器，具有優良的無線接收靈敏度和抗干擾性[8]。它是一個真正的片上系統(Soc)解決方案，是市面上最出色的微處理器之一。

圖2 匯聚節點框架

CC2530芯片作為節點的主控制器，主控制器加上外圍電路組成單片機最小系統核心板，核心板外部為擴展模塊，擴展模塊提供傳感器接口，其中CC2530芯片上的P0_4～P0_7與多種傳感器接口相對應。

考慮到內外部信號對系統的干擾，將電路的模擬部分和數字部分的電路嚴格分開，對核心電路重點防護，將系統地線環繞，并布線盡可能粗，電源增加濾波電路，采用DC-DC隔離，信號采用光電隔離，設計隔離電源，對容易產生干擾的部分(時鐘電路、通訊電路等)和容易被干擾的部分(模擬采樣電路等)進行解析。

2.2 終端節點設計

終端節點即傳感器節點，是數據采集系統前端，基于ZigBee技術，結合CC2530芯片、溫度傳感器DS18B20、溫濕度傳感器DHT11、光照傳感器光敏電組和電源等部分，構成數據采集模塊。終端節點通過傳感器采集所需數據，通過A/D轉換等功能，將數據通過CPU處理后，打包發送給協調器。終端節點框架圖如圖3所示。

圖3 終端節點框架

2.2.1 多傳感器接口設計

終端節點的傳感器接口電路，采用單個接口可使用多種傳感器的設計。硬件電路上，DHT11傳感器、DS18B20傳感器和光照傳感器可以使用同一個接口，如圖4所示。

圖4 多傳感器接口設計

軟件驅動上，系統可以自動識別傳感器種類，自動調用對應的驅動。系統初始化完成后，調用一個驅動測試函數，該測試函數輪詢調用了3種傳感器的初始化函數，發送對應的初始化時序，等待傳感器做出響應，若傳感器的響應符合對應傳感器的響應時序，則確認該傳感器的驅動。

該標準化接口可以大大節約I/O口資源、簡化硬件電路的設計，實現了一個節點可以使用多種傳感器的需求。

2.2.2 系統傳感器

(1) 溫度傳感器

溫度傳感器將溫室中的溫度信息轉換為電壓或電流輸出，并進行A/D轉換，以滿足需要。傳統的溫度檢測大多用熱敏電阻作為溫度傳感器，但是熱敏電阻的可靠性差、測量溫度準確率低。與傳統的熱敏電阻相比，DS18B20可將被測溫度轉換為串行數字信號，供單片機使用。DS18B20具有獨特的單總線接口方式[9]，在與微處理器連接時，只需一條口線即可實現雙向通訊。這種單線技術具有電路簡單、便于擴展、降低功耗等優點。系統通過DS18B20，將采集到的數據輸入到CC2530的P0口，DATA引腳接P0_7口。 DS18B20有著嚴格的時序來保證數據的完整性。首先對DS18B20進行初始化，主機拉低單線進入Rx接收模式，再拉低總線產生應答信號，然后對ROM、內存進行操作命令，最后對數據讀寫信號等進行處理。

(2) 溫濕度傳感器

DHT11采用4針單排的引腳封裝，響應快、抗干擾能力強。DATA是用于微處理器與DHT11之間的通信和同步的串行雙向接口，電源引腳(VCC，GND)之間可以加一個100 nF的電容，用以去耦濾波。DHT11的通信過程高效便捷，首先主機在數據線上發出開始信號，DHT11檢測到此信號后回復響應信號，并拉高數據線電平，開始向主機發送采集的數據，數據發送完畢，釋放總線。

(3) 光照傳感器

光敏電阻是一種典型的光照傳感器，具有光電導效應，當該器件受到光輻射后，其電阻值會受到變化。與其他的半導體光電器件相比，光敏電阻有靈敏度高、光譜響應范圍寬、體積小、抗過載能力強、壽命長等特點。把光敏電阻串聯在電路中，即可把電阻值轉換成電壓值，與上2個傳感器類似，光照傳感器也是3個引腳，一個接地，一個接電源，DATA引腳實現微處理器與光照傳感器之間的雙向通信[10]。

3 系統軟件設計

設計基于TI公司的Z-Stack協議棧，系統的軟件設計主要完成ZigBee收發模塊的程序設計，同時為了解決功耗和時延問題，系統中采用最小跳數的自組網方法，提高傳輸的效率。

3.1 匯聚節點程序設計

匯聚節點的程序設計流程如圖5所示，匯聚節點上電后，先對其進行節點硬件及協議棧的初始化，然后開始掃描信道，匯聚節點建立網絡，判斷是否有節點加入網絡，當檢測到有申請入網請求時，恢復請求并給其分配網絡地址，建立綁定。然后，開始接收數據，當接收到數據后，對其進行打包處理，通過串口發送給網關。

圖5 匯聚節點設計流程

匯聚節點收到數據后，根據數據的簇id將數據填到一個6個字節的數組，然后通過串口發送函數，根據簇id將數據整理成數據包的格式發送出去。

3.2 終端節點程序設計

終端節點通電后，進行硬件及協議棧初始化，然后發出入網請求，等待協調器回復響應，當收到回復請求后，通過綁定函數建立綁定，接著就是讀取傳感器模塊的數據，并打包發送給匯聚節點。終端節點程序設計流程圖如圖6所示。

圖6 終端節點設計流程

4 系統測試分析

基于ZigBee的多傳感器物聯網智能節點的系統設計主要測試的是系統運行的正確性及數據采集與傳送的穩定性和準確性。實驗中搭建了一個基于ZigBee的星型網絡拓撲結構的測試環境，包括一個匯聚節點的數據，并通過串口發送給上位機顯示。

4.1 節點的功能測試

4.1.1 匯聚節點設備的功能測試

匯聚節點在ZigBee無線傳感器網絡中負責整個網絡信息的接收和處理工作，在該系統中匯聚節點通過串口與網關通信，網關通過USB與PC上位機連接通信，實現用戶和系統之間的實時交互操作。通過配置Z-stack，設置設備類型為匯聚節點設備，設備上電后檢查網絡并完成網絡的初始化工作后進入任務輪詢狀態，允許節點設計加入網絡。匯聚節點通過串口將自己的所采集到信息發送給STM32網關，網關再用USB發給上位機，從而實現匯聚節點與上位機之間的信息傳輸。

4.1.2 節點溫度功能測試

以5 ℃為階梯，用不同溫度的熱源去靠近溫度傳感器，即每隔1 s時間給熱源增加5 ℃，讓溫度傳感器采集，發給PC機，得到實驗結果，比較熱源溫度數據與上位機采集數據，可發現其功能符合設計要求。

4.1.3 節點濕度功能測試

對濕度的測量，將DHT11傳感器放入一個密閉的空間，通過不斷增加空氣濕度，用標準的溫濕度測量儀測量空氣濕度，與傳感器測得的濕度作比較，可以發現其功能符合設計要求。

4.1.4 節點光強功能測試

對光強的測量，采用不斷加強光源光照強度，用標準的照度儀測得的數據與傳感器采集的數據做比較，可得其功能符合設計要求。 歸一化采樣數值如圖7所示。

圖7 歸一化采樣數值趨勢走向

4.2 節點的性能測試

節點的性能測試主要對節點設備的通信距離和接收時延進行測試。節點設備的通信距離、接收時延對于合理安裝ZigBee節點設備具有十分重要的參考意義[11]。隨著傳輸距離的不斷增加,造成數據包的丟失。節點設備通信距離和接收時延同硬件設備的發射功率、環境干擾等原因有著十分密切的聯系，針對不同的安裝環境本設計做了相應的性能測試。

4.2.1 節點設備的通信距離測試

節點設備的通信距離同設備的硬件設計有密切的聯系。本次ZigBee模塊的硬件設計，其設計性能已經通過TI官方和諸多研發人員等多方面的測試，穩定可靠，能有效縮短研發、測試周期。采用通信距離測試程序，其工作原理是節點設備每隔500 ms向匯聚節點固定長度的測試包，每次測試發送1 000個數據包，匯聚節點統計接收到測試包的數量，計算網絡丟包率，其測試統計結果如表1所示。

表1 通信距離及丟包率測試

4.2.2 節點設備的時延測試

時間延遲也是無線網絡中一個很重要的指標。測試采用上位機編寫代碼的方式來計算節點延時，即通過調用.net中的Stopwatch類，計算從點下“開始”按鈕，到收到各個數據的時間，多次實驗求平均值。各個階段的數據延遲如表2所示。

表2 節點設備的時延測試

表2中，T0時刻處于組網階段，T0時刻的數據時間延遲比較大，超過了1 s，而T1、T2和T3的數據包時間延遲下降到300 ms，并且延遲穩定。造成這個結果的原因是ZigBee組網與網關的USB初始化要花費大量時間，當數據建立了穩定的數據發送路由，并且USB初始完畢后，網關定時主動向ZigBee匯聚節點數據，這樣就可以大大的減少數據延遲。

5 結束語

隨著智慧城市的發展，智能化溫室已經逐步進入人們的視線，并開始廣泛運用于農業、工業和家庭等方面。信息的采集是智能化溫室的基礎，傳統的人工技術，不僅成本高、耗時長、誤差大，而且效率低下、信息傳遞不及時，極易造成大面積的損耗，而導致整個系統的崩潰。以ZigBee技術為基礎的物聯網采集系統，設計了一種高效的智能匯聚節點，把各個傳感器節點的數據進行處理與打包，及時反饋給上位機，這種設計不僅便于安裝與維護，還極大地縮短了采集時間，減少了人工失誤，提高了信息的準確度與效率，為生物的成長提供了良好的測試環境，多傳感器的物聯網智能節點系統可以將采集的數據準確傳送至上位機，系統運行良好。

[1] 喬宏章,付長軍.“智慧城市”發展現狀與思考[J].無線電通信技術,2014,40(6):1-5.

[2] 周雅琴,譚定忠.無線傳感器網絡應用及研究現狀[J].傳感器世界,2009(5):35-40.

[3] 宋國森,姜 霞,修國浩.藍牙與其他短距離無線通信技術的比較[J].無線電工程,2004,44(5):53-54.

[4] 張 雄,秦會斌,毛祥根,等.基于ZigBee技術的遠程家電控制系統[J].無線電通信技術,2015,41(6):68-71.

[5] 周素茵,章 云,曾 斌.無線通信技術在我國現代溫室中的應用綜述[J].傳感器與微系統,2011(12):14-17.

[6] XIN Zheng-hua,CHEN Guo-long,LI Xian-wei,et al.Research on the ZigBee Network and Equipment Design Based on the CC2530[J].Sensors &Transducers,2013(11):158.

[7] 張亞瓊,杜永貴.基于CC2430的ZigBee智能傳感器網絡研究及應用[J].儀表技術,2008(4):3-4.

[8] 李俊斌,胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信網絡的應用設計[J].電子設計工程,2011(16):108-111.

[9] 吳春光.海上紅外目標模擬器遠程溫度采集系統設計[J].無線電工程,2013,43(11):57-59.

[10]舒 秦,王瑞平,孫向紅.光敏電阻特性的研究[J].西安科技學院學報,2000(4):377-379.

[11]王 琰,王 喆.無線傳感器網絡節點定位算法研究[J].無線電通信技術,2011,37(5):21-23.

李晶莉 女，(1995—)，本科。主要研究方向：電子信息工程。

周 磊 男，(1980—)，博士，講師。主要研究方向：電子系統集成和專用集成電路設計。

Research on Intelligent Multi-sensor Nodes for Internet of Things Based on ZigBee

LI Jing-li,ZHANG Lei,ZHOU Lei

(InstituteofInformationEngineering,YangzhouUniversity,YangzhouJiangsu225127,China)

Intelligent greenhouse is an important component of Smart Cities,while information collection is the critical foundation of intelligent greenhouse.To address the issues of time-delay and stability in current data acquisition systems,an intelligent node based on ZigBee is designed for Internet of Things.The node data can be updated in real time by sink node creation and sensor network maintenance.Detection and acquisition of various data can be accomplished through the compatibility of multi-sensor terminal nodes.The test shows that it can effectively reduce the communication delay and increase the communication distance between the nodes while ensuring the validity of system functions.

ZigBee;multi-sensor interface;information collection;wireless sensor network

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.11.06

李晶莉,張 雷,周 磊.基于ZigBee的多傳感器物聯網智能節點研究[J].無線電工程,2016,46(11):22-25,67.

2016-07-26

2015年江蘇省大學生創新創業訓練計劃立項項目(201511117078X)。

TN919

A

1003-3106(2016)11-0022-04