基于ZigBee的無線傳感網絡網關的研究與設計

羅回彬，吳 方

（北京理工大學 珠海學院 計算機學院，廣東 珠海 519000）

基于ZigBee的無線傳感網絡網關的研究與設計

羅回彬，吳 方

（北京理工大學 珠海學院 計算機學院，廣東 珠海 519000）

為了更好地實現傳感器節點數據的采集和監測，提出了一種基于ZigBee的無線傳感網絡網關的設計方案。該網關系統以ARM Cortex-A8為主控模塊，外接WiFi模塊和ZigBee協調器，采用ZigBee協議建立無線傳感器網絡，而且通過WiFi模塊接入互聯網，實現對傳感器節點數據的采集。實驗結果表明，基于ZigBee的無線傳感網絡網關，使用簡單，可以快速地實現對外部環境數據的采集，可擴展性強，可以廣泛應用于消防樓宇監測、農業灌溉、機床設備監測等各個領域。

ZigBee；無線傳感器；網關；CC2530

隨著物聯網技術和通信技術的發展，物聯網網關將是無線傳感網絡和通信網絡的重要樞紐。如何通過結合現有傳統網絡技術Internet和新興技術WiFi實現對遠程設備的管理、前端數據的采集，將成為今后物聯網感知和物聯網傳輸的重要研究課題[1-7]。本項目主要通過構建一個基于ZigBee技術的無線傳感網絡網關，實現對不同領域數據的監測、信息共享和遠程控制。

1 系統方案設計

如圖1所示，系統由主控模塊ARM Cortex-A8、ZigBee協調器及基于CC2530的傳感器溫度傳感器節點、煙霧傳感器節點、人體檢測傳感器節點等、WiFi模塊及手機移動設備組成。其中，各類終端傳感器節點與協調器一起構建基于ZigBee的移動傳感網絡，經由串口與主控模塊進行數據傳輸，而主控模塊通過WiFi與手機移動設備進行通訊。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊

主控模塊選用32位的高性能微處理器ARM Cortex-A8，其包括基于 CortexTM-A8的Samsung S3PV210主芯片，以及大容量的DDR2 RAM內存和NAND Flash存儲器，此外還有具有7寸800*480 LCD顯示屏、觸摸屏、USB、RS232標準串口等，能很好地滿足各類嵌入式、物聯網產品的開發。

圖1 系統總體架構框圖

2.2 Zigbee協調器

ZigBee協調器選用CC2530芯片，CC2530包括有增強型8051CPU、8 kb RAM、時鐘、電源管理和外設相關的模塊、以及RF收發器模塊，具有不同的運行模式，且運行模式可快速切換，是一種基于IEEE802.15.4標準的片上系統解決方案，可以低成本低功耗構建大型網絡[8]。

2.3 WIFI模塊

本項目進行WIFI模塊的電路設計，其工作電壓為直流3.3 V。如圖2所示，“Wifi_nRST”為WiFi模塊復位引腳，低電平時間大于300 ms復位；S4為恢復WiFi模塊出廠設置按鍵。此外，LED3 Red為WiFi模塊啟動狀態指示燈，正常啟動后“Wifi_nREADY”引腳輸出低電平，電路導通 啟動狀態指示燈點亮，反之，燈熄滅；LED4 Blue為WiFi模塊連接狀態指示燈，正常通訊時“Wifi_nLink”引腳輸出低電平，連接狀態指示燈點亮，反之，燈熄滅。

圖2 WiFi模塊電路圖

2.4無線傳感器網絡節點

本項目中，無線傳感網絡節點主要是由ZigBee無線網絡傳輸和傳感器節點組成。其中，傳感器模塊則采用了由溫度傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、人體檢測傳感器組成[9]。這四種傳感器采集的數據包括了溫度、溫濕度、煙霧、人體四種數據的采集，可以應用與農業、工業、消防、防盜等多個領域，因此可以按照實際需要，結合對應的操作系統，可以用作于多領域的監控系統。其中，溫度與溫濕度傳感器原理圖設計如圖3所示，DS18B20的數據輸出IO （引腳2）接上拉電阻后與CC2530的引腳P15連接，DHT11的DATA （J7的引腳2）接上拉電阻后與CC2530的引腳P07相連。

圖3 溫度與溫濕度傳感器原理圖

3 軟件設計

3.1 ZigBee組網流程圖

本項目以ZigBee組網為例進行軟件設計開發。ZigBee組網流程圖，如圖4所示，ZigBee組網時各無線網絡傳感器的主要工作如下:

1）初始化傳感器節點模塊；

2）申請加入ZigBee協調器，進行ZigBee無線組網；

3）CC2530通過各傳感器進行數據采集；

4）終端傳感器節點采集的各類數據 （溫度、人體檢測、溫濕度、煙霧等）發送至協調器。

3.2 無線傳感器協議

根據不同的應用場景及數據需求，無線傳感網絡節點可以接入不同傳感器類型，進行各種環境數據的采集與監測[10]。其中，傳感器狀態串口協議如表1所示，主要包括對不同傳感器進行傳感器類型編號，以及對傳感器輸出數據的說明。例如，人體檢測傳感器，其傳感器類型編號0x07，輸出數據1表示檢測到區域內有人，輸出數據0表示檢測區域內無人。

圖4 ZigBee組網流程圖

表1 傳感器狀態協議

3.3 無線傳感器的編碼實現

如2.4小節所述，作者通過CC2530的I/O引腳與各傳感器（溫濕度傳感器、人體檢測、煙霧傳感器等）引腳相連，編寫相應指令代碼獲取各傳感器的值，并發送給協調器。例如，獲取溫濕度傳感器DHT11的數據，并發送給協調器的部分代碼如下:

4 實驗結果與分析

4.1 協議棧解析

如圖5所示，作者通過代碼編程得到的數據截圖，進行一幀定長為26字節數據分析。作者可以通過對“傳感器類型”分析來判斷當前數據來源屬于哪個傳感器，然后再根據“節點數據”解析得出當前傳遞的采集數據信息。

圖中的圓框“07”代表人體檢測節點，“0a”代表溫濕度傳感器節點。人體檢測的節點數據主要代表當前的檢測狀態（是否檢測到人），圖5中截取的節點數據代表沒有檢測到人，而溫濕度傳感器的節點數據代表當前的溫度和濕度百分比。

圖5 協議棧數據截取

4.2 主程序界面

程序演示界面，主要利用QT的UI設計工具進行登錄界面、主界面的設計，其主要代碼由html的標簽完成。通過測試，可以實現數據的采集及轉發，如圖6所示。

圖6 主程序界面

5 結束語

基于ZigBee的無線傳感網絡網關的應用領域眾多，不僅可以很好地應用于家居生活，還可以廣泛地應用于城市樓宇消防監測、醫療健康養老監測、農業土壤監測及灌溉、工業機床設備監測等領域[11-15]，很好的實現表1所示的各類傳感器節點數據的采集、監測、解析和轉發。

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Research and design of wireless sensor network gateway based on ZigBee

LUO Hui-bin，WU Fang
（Department of Computer， Beijing Institute of Technology， Zhuhai 519000，China）

In order to better implement the sensor node data acquisition and monitoring，this paper puts forward a design scheme based on ZigBee wireless sensor network gateway.The gateway system based on ARM Cortex-A8 as master control module，and is connected with WiFi module and ZigBee coordinator.The ZigBee protocol is adopted to establish the wireless sensor network，and access to the Internet through WiFi module，realized the data collection of sensor nodes.The experimental results show that the wireless sensor network gateway based on ZigBee is easy to use and can quickly realize external environmental data collection.With the good extensibility， this system can be widely used in building，agriculture，machine tool and other fields.

ZigBee； wireless sensor； gateway； CC2530

TN919-34；TP393.1

A

1674－6236（2017）12-0182-04

2016-05-18稿件編號:201605177

2013年北京理工大學珠海學院校科研基金項目（XK-2012JS-03）

羅回彬（1986—），男，廣東梅州人，碩士，實驗師。研究方向:嵌入式系統設計及應用。