基于ZigBee 的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◆靳堯凱 戴貽康 焦運(yùn)良

（華北計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工程研究所 北京 100083）

在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和日常生活中，要密切關(guān)注周圍環(huán)境的變化，只有適宜的環(huán)境，才能發(fā)揮最高的生產(chǎn)效率，創(chuàng)造出最大的效益。

隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得人們對(duì)無(wú)線通信的傳輸質(zhì)量、傳輸距離和快捷性的要求越來(lái)越高[1]。人們使用FF 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線，CAN 總線等有線電纜的連接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)系統(tǒng)有很大的局限性，例如設(shè)備位置較為固定，現(xiàn)場(chǎng)布線麻煩，不適宜復(fù)雜的環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)脆弱，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的發(fā)展，片上系統(tǒng)解決方案的成熟，無(wú)線傳感已經(jīng)開(kāi)始走入尋常百姓家，發(fā)展越來(lái)越快，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣闊，它的發(fā)展和運(yùn)用給人們的生活和生產(chǎn)帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。

目前，短距離無(wú)線通信技術(shù)慢慢成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，它們包括無(wú)線局域網(wǎng)（Wi-Fi），藍(lán)牙（Bluetooth），紅外數(shù)據(jù)通信（ⅠrDA），近場(chǎng)通信（NFC），超寬帶通信（UWB），以及ZigBee 技術(shù)[2]。其中ZigBee 技術(shù)以其成本低廉，低功耗，高可靠性正廣泛應(yīng)用于家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)控制，公共場(chǎng)所等領(lǐng)域[3]。

1 ZigBee 技術(shù)研究

1.1 ZigBee 技術(shù)特點(diǎn)

知ZigBee 協(xié)議模型主要由應(yīng)用層（APL）和網(wǎng)絡(luò)層（NWK），媒介訪問(wèn)控制層（MAC）和物理層（PHY）組成，其中NWK 層和APL 層是被ZigBee 聯(lián)盟定義的，PHY 層和MAC 層是被ⅠEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的[4]。ZigBee 技術(shù)有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）功耗低：由于ZigBee 技術(shù)多用于偏僻或者人們難以到達(dá)的地方，因此ZigBee 設(shè)計(jì)之初就要求了低功耗，通常來(lái)說(shuō)，一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)依靠?jī)晒?jié)干電池即可工作6～24 個(gè)月[5]。

（2）成本低：由于ZigBee 協(xié)議棧簡(jiǎn)單，工作流程清晰，開(kāi)發(fā)和維護(hù)的成本較低，并且ZigBee 協(xié)議對(duì)外公開(kāi)，不需要收取專利費(fèi)，因此具有較低的成本，適合大規(guī)模使用。

（3）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最高可以有65535 個(gè)數(shù)據(jù)模塊，此外，ZigBee 有27 個(gè)信道可以用來(lái)通信，而TⅠ公司所有支持ZigBee 底層協(xié)議的芯片CC2530 在2.4GHz 的頻段上，有16 個(gè)信道進(jìn)行通信，這就保證了一個(gè)區(qū)域可以有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的存在。

（4）自組織能力：ZigBee 模塊上電后，協(xié)調(diào)器能夠自行建網(wǎng)，自動(dòng)分配網(wǎng)絡(luò)地址，終端和路由器上電后能夠自行請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)。

（5）可靠性高：網(wǎng)絡(luò)通信采用了避免碰撞的機(jī)制，數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生沖突，并且預(yù)留了一些間隙專門為了一些需要固定帶寬的通信，每一個(gè)帶有明確地址的數(shù)據(jù)包在接收方接收后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)確認(rèn)信息，數(shù)據(jù)可以重新發(fā)送，這些方法保證了數(shù)據(jù)在通信過(guò)程中不會(huì)丟失和出錯(cuò)。

1.2 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee 組網(wǎng)靈活多變，能夠組成星型、樹型、和網(wǎng)格型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]。一般是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要決定選擇何種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中最簡(jiǎn)略的結(jié)構(gòu)。一般由一個(gè)負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和一系列終端傳感器節(jié)點(diǎn)組成。由于每個(gè)傳感器只能和協(xié)調(diào)器傳遞信息，因此傳感器之間若想傳遞信息，只能通過(guò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心—協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將信息轉(zhuǎn)發(fā)后就可以實(shí)現(xiàn)傳感器之間的通信。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

樹型結(jié)構(gòu)是由一個(gè)負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，若干個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)用的路由器和一系列采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的傳感器組成的。協(xié)調(diào)器可以與路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)互相連接，下一級(jí)的路由器仍然可以無(wú)線連接更下一級(jí)的路由器和傳感器。其結(jié)構(gòu)圖可表示為如圖2 所示。

樹型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行中繼路由，理論上經(jīng)過(guò)路由，ZigBee的傳輸距離可以達(dá)到很遠(yuǎn)，它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比星型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是也相對(duì)靈活。缺點(diǎn)是信息的路由只有一條通道可以選擇。

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)：一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，因此網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)核心協(xié)調(diào)器，同時(shí)還有眾多的路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)，與樹型網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)組成相類似，而且這種結(jié)構(gòu)與樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也相似，但是節(jié)點(diǎn)之間的路由通道增加為多條。主要表現(xiàn)是路由器節(jié)點(diǎn)之間可以直接進(jìn)行通信，由此節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的通信便可以通過(guò)路由器作為橋梁來(lái)通信，當(dāng)某個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)因故障而失去作用，節(jié)點(diǎn)之間的通信便可以繞過(guò)該路由器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)其他的路徑進(jìn)行通信。網(wǎng)格型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以參考圖3 所示。

圖2 樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖3 網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

終端即為傳感器，首先將各傳感器節(jié)點(diǎn)分散放置在不同位置，傳感器節(jié)點(diǎn)在上電工作后感知到周圍的溫度和濕度的電信號(hào)，并且經(jīng)過(guò)放大，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，經(jīng)傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)嵌的8051 核的單片機(jī)讀取傳感器數(shù)字信息后，經(jīng)過(guò)運(yùn)算得出真實(shí)的溫濕度值。

如果傳感器已經(jīng)入網(wǎng)，則將這些信息以無(wú)線的方式先發(fā)送給路由器，路由器再轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)ZigBee 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)，并且還需要接受來(lái)自路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的傳感器感知到的信息。協(xié)調(diào)器上電后先組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)組建成功后，路由器和各傳感器節(jié)點(diǎn)加入該網(wǎng)絡(luò)中來(lái)。當(dāng)傳感器開(kāi)始工作后，協(xié)調(diào)器開(kāi)始接收路由器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的信息，通過(guò)串口顯示到LCD 屏幕上。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)包括了傳感器單元，電源供電單元，射頻收發(fā)單元，數(shù)據(jù)處理單元[7]。其結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

傳感器模塊用來(lái)感知周圍的溫濕度信息，并將采集到的溫濕度的模擬電信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換成可供CC2530 讀取的數(shù)字信號(hào)。CC2530 中的處理器單元負(fù)責(zé)控制處理信息的存儲(chǔ)，Ⅰ/O 口，控制射頻模塊的發(fā)送等，電源模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)節(jié)點(diǎn)供電。

本設(shè)計(jì)需要采集周圍環(huán)境的溫度和濕度信息，采用的國(guó)內(nèi)奧松公司推出的集溫度采集和濕度采集于一體的溫濕度傳感器DHT11。

ZigBee 芯片具有自己的協(xié)議棧，我們不需要知道協(xié)議棧里具體程序的運(yùn)行流程，只需將傳感器采集到的信息，通過(guò)串口發(fā)送到ZigBee 芯片。ZigBee 芯片能夠?qū)⑦@些信息經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后以無(wú)線的方式發(fā)送出去，接收器按照某種配置，能夠?qū)崟r(shí)、無(wú)誤的接受這些數(shù)據(jù)或者命令。因此，要求該ZigBee 芯片具有射頻，數(shù)據(jù)處理，同時(shí)該芯片業(yè)必須支持ZigBee 底層協(xié)議。選擇TⅠ公司推出的CC2530 芯片作為該設(shè)計(jì)的主控芯片。CC2530 芯片成本較低，內(nèi)置增強(qiáng)型的8051 單片機(jī)，具有8Kb 的RAM，可在線下載，支持Z-Stack 協(xié)議棧。CC2530 運(yùn)行功耗較低，能夠在一塊干電池的供電下持續(xù)運(yùn)行6 個(gè)月以上。

2.1.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，接收路由器轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心。本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)的硬件部分一樣，只是終端外接了一個(gè)傳感器只需要下載不同功能的代碼就可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。因此協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件電路與傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件電路相同，只是少了傳感器，這里不再贅述。

2.1.3 路由器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

如果測(cè)量的范圍過(guò)大，且障礙物過(guò)多，那么協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送可能會(huì)中斷，因此設(shè)置一個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。由于路由器節(jié)點(diǎn)也沒(méi)有傳感器，因此該節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件相同，下載對(duì)應(yīng)的代碼即可實(shí)現(xiàn)路由功能。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 Z-Stack 協(xié)議棧

TⅠ公司除了推出其公司的ZigBee 芯片，也公開(kāi)了很完整實(shí)用的協(xié)議棧供開(kāi)發(fā)者下載使用。ZigBee 協(xié)議的內(nèi)層分為不同的兩大部分[8]，一部分是由ⅠEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的物理層和媒體訪問(wèn)控制層，另一部分則是由ZigBee 聯(lián)盟規(guī)范制定的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，Z-Stack 就是將這些規(guī)范打包整理，并且用C 語(yǔ)言呈現(xiàn)出來(lái)。

Z-Stack 相當(dāng)于一個(gè)簡(jiǎn)易的操作系統(tǒng)，在協(xié)議棧中的文件夾Zmain.c 是它的主函數(shù)，負(fù)責(zé)整個(gè)程序大框架的運(yùn)行，它有兩個(gè)重要的功能，一個(gè)是進(jìn)行ZigBee 的初始化操作，另一個(gè)是執(zhí)行該操作系統(tǒng)，保證ZigBee 的正常工作。

2.2.2 傳感器（終端）節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要利用傳感器來(lái)感知環(huán)境收集數(shù)據(jù)，然后將溫濕度信息打包發(fā)送給路由器[9]。傳感器節(jié)點(diǎn)首先需要初始化并且嘗試加入?yún)f(xié)調(diào)器已經(jīng)創(chuàng)建成功的網(wǎng)絡(luò)中，然后將自己設(shè)備綁定到父節(jié)點(diǎn)上，就可以將終端收集到的溫濕度信息以無(wú)線通信的方式傳送到路由器上。

先初始化，之后開(kāi)始掃描信道，查看附近是否有可以加入的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，若發(fā)現(xiàn)有可以加入的網(wǎng)絡(luò)，則終端會(huì)向協(xié)調(diào)器發(fā)送請(qǐng)求幀請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)。若協(xié)調(diào)器收到該幀并且同意其入網(wǎng)，則會(huì)向傳感器（終端）發(fā)送一個(gè)16 位獨(dú)一無(wú)二的地址。加入網(wǎng)絡(luò)成功后進(jìn)入休眠模式，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，讀取傳感器的數(shù)值，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并且在主控芯片的控制下打包將數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器，發(fā)送不成功再次發(fā)送，直到成功后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次的周期性發(fā)送。

2.2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器決定了當(dāng)前環(huán)境網(wǎng)絡(luò)的存在與否，所以它處于非常重要的位置。在該設(shè)計(jì)中它的軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能包括創(chuàng)建該區(qū)域的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)負(fù)責(zé)其他節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)事項(xiàng)，在穩(wěn)定工作后還需要接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，還需要將收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口加上屏幕驅(qū)動(dòng)程序在LCD 上顯示。協(xié)調(diào)器的軟件工作流程如圖5 所示。

（1）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立和加入。開(kāi)發(fā)者不需要關(guān)注協(xié)議棧的細(xì)節(jié)部分，只需要知道數(shù)據(jù)的流動(dòng)過(guò)程，并且使用協(xié)議棧提供的相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)我們需要的功能即可。

（2）數(shù)據(jù)的接收。在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的正常工作中，協(xié)調(diào)器會(huì)將收到的數(shù)據(jù)打包儲(chǔ)存起來(lái)，因此只需要通過(guò)相關(guān)函數(shù)找到存儲(chǔ)起來(lái)的數(shù)據(jù)，就可以經(jīng)過(guò)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序顯示在LCD 屏幕上。

2.2.4 路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在中間有一級(jí)數(shù)據(jù)的中繼，這一功能由路由器實(shí)現(xiàn)。路由器的工作流程與終端的工作流程相似，上電后先進(jìn)行軟件和硬件的初始化操作，然后進(jìn)行信道的掃描，選擇一個(gè)信道，然后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的搜索，搜索到合適的網(wǎng)絡(luò)后請(qǐng)求加入。

路由器的唯一功能就是進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，下載相應(yīng)的代碼后，設(shè)備以路由器的身份入網(wǎng)后，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

3 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果

硬件：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)、仿真器、LCD 顯示屏，PC 機(jī)。軟件：ⅠAR Embeded workbench，串口調(diào)試助手。

本設(shè)計(jì)采用樹型網(wǎng)絡(luò)，由終端節(jié)點(diǎn)采集溫濕度數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器，經(jīng)過(guò)路由器轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到溫濕度信息后驅(qū)動(dòng)LCD 顯示屏顯示當(dāng)前溫濕度，并且在測(cè)試過(guò)程中可以打開(kāi)串口調(diào)試助手查看串口上發(fā)送的具體數(shù)據(jù)。

將相應(yīng)的代碼經(jīng)過(guò)編譯，環(huán)境配置后下載到對(duì)應(yīng)的模塊中，待各個(gè)模塊初始化完成后，便可測(cè)得相應(yīng)的溫濕度信息。打開(kāi)串口調(diào)試助手，可以看到在串口上的溫濕度信息每隔10 秒鐘刷新一下。

圖5 協(xié)調(diào)器軟件工作流程

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上設(shè)計(jì)結(jié)果，可知，該設(shè)計(jì)基本符合要求。但本設(shè)計(jì)還存在以下的不足：本設(shè)計(jì)中只做了三個(gè)節(jié)點(diǎn)，完成了最基礎(chǔ)的樹型網(wǎng)絡(luò)組建，但是往往在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，會(huì)有更多的節(jié)點(diǎn)參與進(jìn)來(lái)。因此本設(shè)計(jì)可考慮增加傳感器，增加路由器節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)成更為復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。另外本設(shè)計(jì)采用的芯片RAM 只有8K，若要設(shè)計(jì)更復(fù)雜的功能，可以考慮加片外RAM 或者功能更為強(qiáng)大的芯片。