基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計*

高金轉，彭旭鋒，張會新，陳德沅，劉文怡*

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；2.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051；3.北京宇航系統(tǒng)研究所，北京100076）

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計*

高金轉1，2，彭旭鋒3，張會新1，2，陳德沅1，2，劉文怡1，2*

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；2.儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051；3.北京宇航系統(tǒng)研究所，北京100076）

ZigBee作為一種新興的無線傳感網(wǎng)絡技術，具有低功耗、低復雜度、低傳輸速率、低成本、近距離傳輸?shù)忍攸c，實現(xiàn)起來簡單，并且具備自組網(wǎng)功能，新傳感器節(jié)點入網(wǎng)無需人工配置，在無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中得到廣泛的應用。設計的基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是對環(huán)境中的溫度和氣體煙霧進行監(jiān)測。該檢測系統(tǒng)由傳感器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點兩部分組成，其結果由協(xié)調器傳輸給PC機來顯示，從而完成對溫度和氣體煙霧的無線監(jiān)測。經(jīng)過多次可靠性試驗，本系統(tǒng)已成功應用于某型號監(jiān)測系統(tǒng)。

無線傳感網(wǎng)絡；ZigBee；溫度；氣體煙霧濃度；CC2530

隨著科學技術、信息技術、網(wǎng)絡技術的發(fā)展，無線傳感網(wǎng)廣泛應用于軍事、智能家居、醫(yī)療監(jiān)護環(huán)境監(jiān)測和遠程工業(yè)控制領域［1］。現(xiàn)今由于科技水平的提升，一些工廠、辦公樓、家居有無線傳感網(wǎng)絡的參與給我們的工作和生活帶來了很大的方便［2］。其中ZigBee技術是一種近距離、低成本、低速率、較簡單且功耗低的雙向無線通信技術，被廣泛地應用于遠程監(jiān)測與控制和智能家居領域中［3-4］。

設計的主要目的是實現(xiàn)一種基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的溫度及煙霧數(shù)據(jù)實時監(jiān)測功能。設計電路種包含傳感器節(jié)點的設計和協(xié)調器節(jié)點的設計，傳感器節(jié)點會進行周期性的采集溫度和氣體煙霧濃度的數(shù)據(jù)，再將其通過無線網(wǎng)絡傳給協(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器經(jīng)USB串口在PC機上的串口助手里顯示。

1　系統(tǒng)的整體設計

本系統(tǒng)是由一個傳感器節(jié)點和一個協(xié)調器節(jié)點兩部分組成。傳感器節(jié)點主要是完成對環(huán)境中的溫度和氣體煙霧濃度的采集，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送出去。協(xié)調器節(jié)點的功能是建立ZigBee網(wǎng)絡和接收傳感器節(jié)點發(fā)出去的數(shù)據(jù)，并將其通過USB串口傳給PC機。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

項目來源：山西省自然科學基金項目（2014011021-5）

收稿日期：2015-07-09修改日期：2015-09-11

圖1　系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)工作的時候，傳感器節(jié)點加入?yún)f(xié)調器組建的ZigBee網(wǎng)絡，周期性地采集環(huán)境中溫度和氣體煙霧濃度的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送出去，協(xié)調器接收到數(shù)據(jù)后經(jīng)串口將其傳輸給PC機，由PC機顯示數(shù)據(jù)。

2　系統(tǒng)硬件的設計

2.1系統(tǒng)無線收發(fā)模塊的設計

其核心芯片為CC2530，CC2530是TI公司在2.4 GHz頻段推出的第 2代支持 IEEE 802.15.4/ ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)芯片。其內(nèi)部集成了高性能射頻收發(fā)器、工業(yè)標準增強型8051 MCU內(nèi)核、265 kB Flash ROM和8 kB RAM。它的功能比較強大，具有 2個 USART（Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter）、8 bit和16 bit定時器、看門狗定時器、8路輸入可配置的12 bit ADC模數(shù)轉換器、21個 GPIO（General Purpose Input Output）、AES128協(xié)同處理器等［5-7］。因為CC2530自身帶有射頻的功能，一般經(jīng)行小功率網(wǎng)絡節(jié)點的系統(tǒng)設計使不需要額外加其它的射頻芯片，CC2530外加一些簡單電路即可實現(xiàn)射頻功能，如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)無線收發(fā)模塊模塊

協(xié)調器節(jié)點和傳感器節(jié)點之間的互相通信是依靠天線收發(fā)實現(xiàn)的，天線一般都具有可逆性，既可以接收也可以發(fā)送［8-9］。其中，晶振電路部分分別由1個晶振和2個負載電容組成，給主芯片CC2530的正常工作提供穩(wěn)定的時鐘信號。用電感、電容相連構成一個同軸天線，由單片機的管腳RF_P和RF_N輸出。

2.2系統(tǒng)功能模塊的設計

這個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要由兩個功能模塊，即整個系統(tǒng)由一個協(xié)調器節(jié)點和一個傳感器節(jié)點組成。

（1）協(xié)調器節(jié)點設計

如圖3所示，協(xié)調器節(jié)點主要包括：CC2530數(shù)據(jù)處理模塊、天線、電源模塊、串口模塊、LED部分等。CC2530部分主要負責控制節(jié)點的處理操作、任務管理等。天線部分主要用于接收數(shù)據(jù)信息。串口模塊為PC機和節(jié)點之間提供了接口。LED部分用來指示網(wǎng)絡的連接情況，LED2亮說明協(xié)調器自組ZigBee網(wǎng)絡成功，LED1亮說明允許其他節(jié)點加入該網(wǎng)絡。

圖3　協(xié)調器節(jié)點的功能框圖

（2）傳感器節(jié)點設計

圖4為傳感器節(jié)點的功能框圖，它主要由CC2530數(shù)據(jù)處理模塊、天線、數(shù)據(jù)采集模塊（溫度傳感器和氣體煙霧傳感器）、電源部分和LED部分等組成。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要負責采集數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的轉換。LED部分是來表示節(jié)點是否加入或退出網(wǎng)絡，LED2亮說明傳感器節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡，LED1亮傳感器節(jié)點開始周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)。天線用于無線發(fā)送數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)采集模塊使用的傳感器為DS18B20數(shù)字溫度傳感器和MQ-2氣體傳感器。DS18B20數(shù)字溫度傳感器是單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點，使用起來十分方便。MQ-2氣體傳感器可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測。

圖4　傳感器節(jié)點的功能框圖

（3）電源模塊設計

關于電源部分的設計，為保證傳感器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點模塊持續(xù)工作，故與PC機相連供電。但是電路中用到了3.3 V的電壓，所以必須要加一個5 V到3.3 V的轉換電路。即使用了TI公司的REG117-3.3芯片，能滿足5 V到3.3 V的電壓轉換要求。

2.3串口傳輸模塊

為了便于PC機與協(xié)調器之間進行正常通信，本系統(tǒng)設計采用了USB轉串口芯片CH340，實現(xiàn)了USB到串口的轉換。PC機通過USB接口接收數(shù)據(jù)。PC機與單片機之間接口不一致，因此需要通過CH340芯片實現(xiàn)接口的匹配，以使數(shù)據(jù)可以正常從協(xié)調器模塊傳送到PC機。圖5為USB轉換的部分原理圖。

圖5　串口轉換的部分原理圖

在串口方式下，CH340提供常用的MODEM聯(lián)絡信號，用于為計算機擴展異步串口，或者將普通的串口設備直接升級到USB總線。

3　系統(tǒng)軟件設計

利用星型網(wǎng)絡拓撲結構的優(yōu)點是它結構簡單、網(wǎng)絡的管理和維護容易，成本也低。該系統(tǒng)建立了一個無線傳感網(wǎng)絡，將采集的數(shù)據(jù)通過Zig-Bee網(wǎng)絡協(xié)議傳送到協(xié)調器，最終傳到PC機來顯示。本系統(tǒng)調試過程中的網(wǎng)絡結構由一個協(xié)調器節(jié)點和一個終端節(jié)點組成，其中協(xié)調器主要負責網(wǎng)絡的建立和維護，接收監(jiān)測區(qū)域的溫度、氣體濃度，并通過串口與PC機相連進行數(shù)據(jù)的顯示，終端傳感器節(jié)點利用溫度傳感器、氣體傳感器采集數(shù)據(jù)信息。

3.1協(xié)調器節(jié)點的軟件設計

在系統(tǒng)設計中，協(xié)調器節(jié)點主要有兩個任務：一是負責建立ZigBee網(wǎng)絡并允許其它節(jié)點加入該網(wǎng)絡；二是能夠接收終端傳感器節(jié)點無線發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)信息分析處理后通過串口傳給PC機顯示。協(xié)調器節(jié)點的工作流程圖如圖6所示。

圖6　協(xié)調器節(jié)點的工作流程圖

3.2傳感器節(jié)點的軟件設計

終端傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡后，需要周期性地采集數(shù)據(jù)并向協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)。周期性的工作需要用到 ZigBee協(xié)議棧里的一個定時函數(shù)osal_start_timerEx（）［7］，該函數(shù)可以實現(xiàn)毫秒（ms）級的定時，定時時間達到后發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調器節(jié)點，再定時一段時間，定時時間到達后再發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣周期性地工作。在該系統(tǒng)中，終端傳感器節(jié)點的任務是加入ZigBee網(wǎng)絡，處理各個傳感器采集的數(shù)據(jù)，并將其周期性發(fā)送給協(xié)調器。其工作流程圖如圖7所示。

圖7　傳感器節(jié)點的工作流程圖

4　測試結果顯示

測試了一個傳感器節(jié)點和一個協(xié)調器間的數(shù)據(jù)傳輸。即給協(xié)調器節(jié)點和傳感器節(jié)點下載編好的關于溫度的程序后，給協(xié)調器節(jié)點上電，待LED燈都亮了（即ZigBee網(wǎng)絡建立成功并允許其它節(jié)點加入）之后，將傳感器節(jié)點放置與距離協(xié)調器節(jié)點10 m之外，再給傳感器節(jié)點上電，待LED燈都亮了，打開串口調試助手，將波特率改為與程序相對應的波特率，打開串口，看到接收區(qū)的溫度顯示如圖8所示，用手觸碰DS18B20溫度傳感器的時候，串口助手接收的數(shù)據(jù)明顯升高，如圖9所示。

圖8　串口顯示溫度數(shù)據(jù)

圖9　串口顯示手觸時溫度數(shù)據(jù)

若給溫度傳感器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點下載關于氣體濃度的程序后，和上述步驟一樣，待測試系統(tǒng)穩(wěn)定之后，可以看到串口助手的接收區(qū)數(shù)據(jù)顯示，如圖10所示，靠近MQ-2呼吸，可以看到接收區(qū)數(shù)據(jù)的明顯變化，如圖11所示。

由此可見，10 m距離間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定易實現(xiàn)，若對系統(tǒng)加以嚴格設計和對ZigBee系統(tǒng)加以優(yōu)化，增加傳感器的種類和節(jié)點數(shù)，再加上路由節(jié)點的設計，可以擴大通信范圍，實現(xiàn)對環(huán)境中多種參數(shù)進行實時的檢測，具有較大的發(fā)展前景。

圖10　串口顯示氣體濃度

圖11　串口顯示靠近呼吸時氣體濃度

5　結束語

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是基于ZigBee無線網(wǎng)絡的設計，采用CC2530單片機芯片，完成了對環(huán)境中的溫度和氣體煙霧濃度的無線監(jiān)測，為遠程監(jiān)測環(huán)境的實現(xiàn)提供了全新的途徑。經(jīng)過對該監(jiān)測系統(tǒng)的設計與測試結果分析，該監(jiān)測系統(tǒng)使用ZigBee無線網(wǎng)絡進行設計，簡單易實現(xiàn)；采集數(shù)據(jù)及對數(shù)據(jù)的傳輸過程中，系統(tǒng)穩(wěn)定、數(shù)據(jù)無誤，可廣泛應用于現(xiàn)代智能家居、醫(yī)療監(jiān)護環(huán)境監(jiān)測和遠程工業(yè)控制等領域中。

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高金轉（1989-），女，漢族，山西呂梁人，中北大學在讀研究生，研究方向為測試計量技術及儀器，g_jz36@163.com；

張會新（1980-），男，漢族，黑龍江牡丹江人，講師，北京航天航空大學在讀博士，研究方向為抗過載存儲技術及動態(tài)測試技術與儀器，zhanghx@nuc.edu.cn。

Design of Environmental Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Networks*

GAO Jinzhuan1，2，PENG Xufeng3，ZHANG Huixin1，2，CHEN Deyuan1，2，LIU Wenyi1，2*
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，Taiyuan 030051 China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，Shanxi Taiyuan 030051 China）

As an emerging ZigBee wireless sensor network technology with low power consumption，low complexity，low transmission rate，low cost，short distance transmission and other characteristics，is easy to be realized，and has self-networking capabilities.The new sensor node network joins the networking without manual configuration，and has been widely used in wireless environmental monitoring system.Design of this environment monitoring system based on ZigBee wireless sensor networks is monitoring of the environment temperature and gas smoke.The monitoring system consists of two parts，those are a sensor node and a coordinator node.The result is displayed by the coordinator transmitted to a PC，thus completing of the wireless monitoring of the temperature and the gas fumes.After several reliability tests，the system has been successfully applied to a model monitoring system.

wireless sensor network；ZigBee；temperature；gas and smoke density；CC2530

TP274

A

1005-9490（2016）03-0546-05

EEACC：6150P；7210B10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.010