貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系 嚴(yán)崢暉

一、引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在很多場合需要對環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測。傳統(tǒng)方法大多采用有線連接方式，在各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)放置溫濕度傳感器，鋪設(shè)光纖或者電纜構(gòu)成有線網(wǎng)絡(luò)。但是，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)較多情況下，布線繁瑣、維護(hù)困難，系統(tǒng)的成本高、靈活性差。因此使用無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸是比較理想的，而基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有可快速部署、無人值守、功耗小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，十分適合于構(gòu)建多點(diǎn)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。

本文基于ZigBee協(xié)議設(shè)計(jì)了用于溫濕度監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采用超低功耗微控制器MSP430F2618和射頻收發(fā)器CC2520構(gòu)成節(jié)點(diǎn)的方案，在TI公司的免費(fèi)協(xié)議棧Z-Stack基礎(chǔ)上，構(gòu)建了應(yīng)用于無線溫濕度監(jiān)測的ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與ZigBee協(xié)議

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量體積小、成本低，具備感知信息、數(shù)據(jù)處理、無線通信能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，各個(gè)節(jié)點(diǎn)以自組和多跳方式構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域中被感知對象的信息，并對信息進(jìn)行處理后傳輸給感興趣的用戶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國防軍事、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療健康、智能家居等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用將會給人類社會帶來深刻的變革。

圖1 溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件圖

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計(jì)的中短距離、低速率無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：射頻傳輸成本低，各節(jié)點(diǎn)只需要很少的能量；功耗低，適于電池長期供電；可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)、兩點(diǎn)間對等通信；具有快速組網(wǎng)自動(dòng)配置、自動(dòng)恢復(fù)和高級電源管理功能；任意個(gè)傳感器之間可相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，適用于工業(yè)控制、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、數(shù)字家庭、智能樓宇控制等領(lǐng)域。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

ZigBee采用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、網(wǎng)狀與簇狀。星型適合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較少、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、小范圍的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。網(wǎng)狀和簇狀結(jié)構(gòu)屬于點(diǎn)對點(diǎn)結(jié)構(gòu)，支持Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)造更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，按照設(shè)備所具有的通信能力分為全功能設(shè)備FFD和精簡功能設(shè)備RFD。根據(jù)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)任務(wù)的不同，可以分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器由FFD組成，網(wǎng)絡(luò)終端由RFD設(shè)備。其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與配置；網(wǎng)絡(luò)路由器負(fù)責(zé)建立與維護(hù)路由、轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)終端功能較為簡單，具有加入、退出網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)主要由一個(gè)溫濕度數(shù)據(jù)采集器（網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）和分布安裝的溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)絡(luò)終端）組成一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集器通過發(fā)送命令字使分布在各處的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與其同步，控制監(jiān)測節(jié)點(diǎn)周期性地進(jìn)入低功耗狀態(tài)以省電。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)將實(shí)時(shí)的溫濕度值通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)信道傳送給數(shù)據(jù)采集器，再通過串行通信接口或者以太網(wǎng)與PC連接，從而實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測點(diǎn)溫濕度的實(shí)時(shí)采集。溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

四、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由傳感器單元、處理器單元、無線通信單元與能量供應(yīng)單元組成。本設(shè)計(jì)中采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT11構(gòu)建傳感器單元，負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫濕度信息的采集；采用16位低功耗微控制器MSP430F2618構(gòu)建處理器單元，負(fù)責(zé)處理和存儲采集的數(shù)據(jù)；采用TI公司的低功耗射頻收發(fā)器CC2520構(gòu)建無線通信單元，負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行無線通信；能量供應(yīng)單元使用微型紐扣電池為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需能量。溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖2所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集器與溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的軟件流程

1.溫濕度傳感器SHT11

SHT11是單片集成化數(shù)字溫濕度傳感器，將傳感元件和信號調(diào)理電路集成于芯片內(nèi)部，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號，采用I2C總線通信。采用該傳感元件可以節(jié)省A/D轉(zhuǎn)換器件、減少微控制器端口的占用，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、檢測準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、成本低以及性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

2.微控制器MSP430F2618

TI公司MSP430系列微控制器是超低功耗、16位RISC混合信號處理器，該系列芯片專為低功耗應(yīng)用而精心設(shè)計(jì)，很適合用于長時(shí)間電池供電的場合。MSP430F2618非常適合在低功耗ZigBee網(wǎng)絡(luò)中工作，該芯片集成了120KB的片上存儲器，支持20位地址字，從而可以支持較復(fù)雜程序的開發(fā)。具備1.8~3.6V的寬泛工作電壓范圍，0.5μA的待機(jī)功耗，靈活的時(shí)鐘架構(gòu)可使設(shè)計(jì)人員能根據(jù)應(yīng)用調(diào)整處理器速度與工作電壓，從而優(yōu)化電池的使用壽命。

3.射頻收發(fā)器CC2520

TI公司的CC2520是第二代的ZigBee/IEEE802.15.4射頻收發(fā)器，主要用于企業(yè)、科學(xué)研究與醫(yī)療部門等的2.4GHz免費(fèi)頻段，具有較高的靈敏度和共存性能、極高的連接性能，并可低電壓工作。同時(shí)，CC2520為各種應(yīng)用提供了廣泛的支持，包括幀處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)認(rèn)證、空閑通道評估、鏈接質(zhì)量指示以及幀定時(shí)信息等，從而減輕了處理器單元上的負(fù)載。

4.數(shù)據(jù)采集器（網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）

數(shù)據(jù)采集器承擔(dān)著組織管理網(wǎng)絡(luò)和收集監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并上傳給PC機(jī)的任務(wù)，是一個(gè)ZigBee全功能設(shè)備，根據(jù)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)量的不同，所需要的資源也有所不同。本設(shè)計(jì)中由于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)量不多，所以數(shù)據(jù)采集器硬件設(shè)計(jì)相對簡單，在監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件的基礎(chǔ)上去除傳感器單元，配備RS-232接口以便與PC機(jī)連接，其他與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)相似，但由于使用了穩(wěn)定的電源供給，毋須考慮功耗的問題。

五、組網(wǎng)與通信

ZigBee/IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)分層架構(gòu)參照OSI七層模型的基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要來定義，分層結(jié)構(gòu)中各層為上一層提供一系列服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供其它服務(wù)。IEEE 802.15.4負(fù)責(zé)介質(zhì)訪問控制層和物理層的定義，ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上制定了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的框架結(jié)構(gòu)。ZigBee技術(shù)的應(yīng)用可以獨(dú)立完成全部ZigBee協(xié)議軟硬件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無縫連接；也可以使用支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無線模塊，自行開發(fā)ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層軟件，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)其他部分的整合；也可以購買帶有完整ZigBee協(xié)議的無線模塊，或者通過免費(fèi)的協(xié)議棧工具，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

本設(shè)計(jì)基于通用性及便于開發(fā)的考慮，采用了TI公司免費(fèi)的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，它是一個(gè)多平臺、全功能的協(xié)議棧，包括基于CC2520射頻收發(fā)器以及MSP430F2618超低功耗微控制器的平臺。Z-Stack協(xié)議棧采用事件輪循機(jī)制，基于操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，系統(tǒng)初始化后按優(yōu)先級查詢是否有就緒任務(wù)事件，存在就緒任務(wù)事件則調(diào)用任務(wù)事件所對應(yīng)的處理函數(shù)，執(zhí)行完所有就緒任務(wù)事件后進(jìn)入低功耗模式。Z-Stack提供了大多數(shù)任務(wù)事件處理函數(shù)，用戶只需根據(jù)實(shí)際需要編寫應(yīng)用層的任務(wù)事件處理函數(shù)即可，而不需要大范圍地改動(dòng)Z-Stack協(xié)議的代碼。

數(shù)據(jù)采集器通電后初始化協(xié)議棧，選擇合適的信道，允許ZigBee設(shè)備與其連接；溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通電初始化后，進(jìn)行信道掃描，尋找數(shù)據(jù)采集器并與其建立連接。ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立后，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)周期性采集溫濕度數(shù)據(jù)，通過無線信道傳送給數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器接收到各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)后通過串口傳輸給PC機(jī)，然后通過PC機(jī)上的應(yīng)用程序?qū)⒉杉臏貪穸葦?shù)據(jù)按監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的位置分別進(jìn)行處理、顯示與記錄。數(shù)據(jù)采集器與溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖3所示。

六、結(jié)語

本文基于免費(fèi)的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，采用超低功耗微控制器MSP430F2618和射頻收發(fā)器CC2520構(gòu)建的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小、功耗低，并具備良好的兼容性，便于靈活組網(wǎng)，滿足監(jiān)測系統(tǒng)長時(shí)間連續(xù)工作的要求。通過實(shí)驗(yàn)測試，該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有良好的實(shí)用性和穩(wěn)定性，還能夠根據(jù)實(shí)際需要拓展監(jiān)測參數(shù)與增加監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，可廣泛地用于環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域。

[1]孫利民,李建中,陳瑜等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].清華大學(xué)出版社,2005.

[2]孫亭,楊永田,李立宏.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2006(6).

[3]孫茂一,陳利學(xué).ZigBee技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008(2).

[4]余向陽.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究綜述[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008(8).