ZigBee环境监测系统设计

在智能家居的环境监测、矿井的环境监测、粮仓的环境监测、农业大棚的环境监测中，如果采用传统的有线监测方法，会导致布线繁琐、建置成本高、维护不方便以及系统的可扩展性和移动性差等问题。无线监测系统不仅省去了大量的布线工作和维护费用，而且网络部署更加规范。近年来，无线技术以它优越的灵活性和便捷性在网络应用中发挥着日益重要的作用。

1 系统设计

1．1 ZigBee无线网络

ZigBee数传网络一般由协调器(Coordinator)、路由器(Router)节点和传感器(End-Device)节点组成。协调器是一个全功能设备FFD(Full Function Device)，负责创建、维护整个ZigBee无线模块网络，并为加入网络的节点分配地址，每个网络必须有而且只能有一个协调器。路由器也是全功能设备，负责信号的路由，根据实际情况设定个数。

    传感器节点，又称终端设备，是一个半功能设备RFD(ReducedFunction Device)，负责信号识别和数据发送，由多个组成。

    根据节点的组合不同可以形成星型、树形和网状型三种网络拓扑结构，它对于网络管理、网路节点间的数据传输起着很重要的作用。网络构架后，进行数据通信时，需要为每个设备分配一个网络地址，地址的分配取决于整个网络拓扑结构，并由三个值决定：网络的最大深度、每个父节点拥有的最大孩子节点个数和每个父节点拥有的最大孩子节点中路由器的最大个数。但网络地址无需人为计算，系统会自动分配。

1．2系统设计

本系统采用星形无线传感器网络结构，由一个协调器节点和若干传感器节点组成，结构如图1所示。上位机通过USB转RS232与协调器节点有线相连，协调器通过ZigBee无线数传方式与传感器节点相连。协调器建立网络后，传感器节点上电后将自动与协调器对话，匹配成功后加入ZigBee无线网络。然后通过ZigBee数传模块将传感器节点数据传输至协调器，协调器再将数据传输至上位机，由上位机完成数据处理和保存，实现环境参数的ZigBee数据采集。

图1 网络结构图

2 硬件设计

本系统的硬件设计主要涉及两类节点的设计，传感器节点和协调器节点。目前ZigBee无线模块节点一般有两种模式：一种是将整个系统集成在一块模块上；另一种是将ZigBee射频收发模块设计成单独模块。前者系统集成性比较好、体积小，但兼容性比较差，后者扩展性比较好，可与其他的无线射频模块使用，也可用于其他用途的无线网络系统。本系统就采用第二种方式，传感器节点和协调器节点采用相同的。

2．1传感器节点

系统采用CC2530单芯片，它是基于IEEE 802．15．4标准和ZigBee技术应用，结合了RF收发器、增强型的8051 CPU、存储器和ZigBee协议栈等，只需稍加外围电路和内部编程即可完成无线组网通信和ZigBee数据采集。基于CC2530芯片设计无线射频模块，体积小、功耗低、通讯可靠、效率高，结构如图2所示。

图2 传感器节点硬件结构图

2．2协调器节点

协调器节点采用图2传感器节点硬件结构图是整个系统的核心，负责各传感器节点的工作，还要把传感器节点的数据发送给上位机。因此在协调器节点设计中除了采用与传感器节点相同的外，还应具有与上位机通讯的电路，如图3所示。

图3 协调器节点硬件结构图

 

3 软件设计

3．1上位机

本系统控制由上位机执行，上下位机有问有答，无答不执行。上位机操作界面由VB编写，形象直观、操作方便。上位机工作时首先进行串口初始化，然后检测是否有网络存在，如果存在就采集环境参数，具体流程如图4所示。

图4 上位机工作流程

3．1协调器节点

协调器上电配置物理信道主动扫描，选择合适的物理信道和网络号，建立起网络。协调器根据来自上位机采集数据的命令，根据网络地址进行数据发送和接收，具体工作过程如图5所示。

图5 协调器节点主流程图

3．2传感器节点

传感器节点上电后，根据配置物理信道被动扫描，选择合适的物理信道和网络号并加入网络。

根据来自协调器命令，进行数据采集和发送，具体工作过程如图6所示。

图6 传感器节点主流程图

4 调试与应用

本测试系统由上位机和下位机组成。下位机主要由1个协调器节点和3传感器节点组成，协调器和传感器节点1放在室内，传感器节点2放在走廊，传感器节点放在室外，并在不同时间点对该系统进行了温度和光度的测试，结果如表1所示。

 

表1 温度测试对比表

5 结束语

本文构建了一个基于CC2530的ZigBee无线网络系统，并对温度、光度进行了测试，结果表明，系统可靠、测量结果精确。该系统不仅可以测量温度，还可推广测量其他环境参数，如湿度、烟雾等，同时该系统还可以推广至其它领域的应用，如校园的安防系统、老年公寓的监护系统等。