季延清, 董飛翔

(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710064)

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基于ZigBee的建筑溫/濕度監(jiān)測(cè)及組網(wǎng)的設(shè)計(jì)

季延清, 董飛翔

(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710064)

介紹了基于ZigBee技術(shù)的建筑溫/濕度監(jiān)測(cè)及組網(wǎng)的設(shè)計(jì),詳細(xì)分析了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)方案及軟件設(shè)計(jì)方案。傳感器將建筑物內(nèi)的溫度、濕度采集到終端模塊中,通過無線模塊傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器中,實(shí)現(xiàn)控制器系統(tǒng)對(duì)溫/濕度的采集、處理、發(fā)送等功能,提高了工作效率。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò); ZigBee技術(shù); 硬件設(shè)計(jì); 軟件設(shè)計(jì)

季延清(1990—),男,研究方向?yàn)榻ㄖ姎庵悄芑?/p>

0 引 言

ZigBee技術(shù)是基于小型無線網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場(chǎng)的空缺,在智能家居和商業(yè)樓宇自動(dòng)化方面有較大的應(yīng)用前景[1]。

本文針對(duì)小范圍室內(nèi)工作環(huán)境的溫/濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求,采用基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)字式溫/濕度傳感器，構(gòu)建了采集溫/濕度信息的設(shè)計(jì)平臺(tái),并據(jù)此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和軟件。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 硬件方案設(shè)計(jì)

1.1.1 控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)大型建筑物室內(nèi)溫/濕度檢測(cè)，設(shè)計(jì)了無線溫/濕度傳感節(jié)點(diǎn),并進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì),要求硬件穩(wěn)定、可靠,實(shí)時(shí)性好，軟件模塊化,易于維護(hù)。控制器需要對(duì)大型建筑物內(nèi)溫/濕度進(jìn)行檢測(cè),并進(jìn)行組網(wǎng)。因此,需要一種強(qiáng)大的微控制器(Micro Controller Unit,MCU)和無線收發(fā)模塊。采用溫/濕度傳感器將建筑物內(nèi)的溫/濕度采集到終端模塊中,通過無線模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器中,再通過串口助手在計(jì)算機(jī)上顯示,實(shí)現(xiàn)控制器系統(tǒng)對(duì)溫/濕度的采集、處理、發(fā)送等功能,提高了工作效率。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較強(qiáng),其連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Intemet等外部網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換,同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù),并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。路由節(jié)點(diǎn)既可以是具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn),有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)算資源,也可以是沒有監(jiān)測(cè)功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備[2-3]。

2.1.2 主控芯片選型

采用片上系統(tǒng)(System On Chip,SOC)可以節(jié)省系統(tǒng)成本,提高系統(tǒng)性能。ZigBee SOC解決方案就是將射頻收發(fā)器與MCU集成在一塊芯片上,其開發(fā)難度遠(yuǎn)小于使用兩塊獨(dú)立芯片的解決方案。CC2530是高效的SOC CMOS解決方案,結(jié)合了包括射頻2.4 GHz收發(fā)器和符合IEEE 802-1 5-4協(xié)議的CC2530射頻芯片以及8051微處理器。TI公司為其提供了完整的開發(fā)和調(diào)試環(huán)境,方便用戶研發(fā)符合需要的ZigBee無線產(chǎn)品。

2.1.3 溫/濕度傳感器選型

DHT11數(shù)字溫/濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫/濕度復(fù)合傳感器,應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫/濕度傳感技術(shù),確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性。每個(gè)DHT11傳感器都在極精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn),校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式存于OTP內(nèi)存中,在檢測(cè)型號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口使系統(tǒng)集成變得簡易、快捷。

2.2 控制器軟件方案設(shè)計(jì)

采取模塊化編程的原則,將每個(gè)功能模塊寫成功能庫文件,然后在主程序中調(diào)用各個(gè)庫中的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)所需的功能。在模塊程序的編寫中盡可能將與硬件相關(guān)的寄存器、地址等通過宏定義封裝成易讀懂的形式,同時(shí)簡化每個(gè)完整功能塊的使用。各個(gè)庫中與硬件相關(guān)的配置放在相應(yīng)的頭文件中,降低了代碼重復(fù)使用的難度,只需對(duì)頭文件作相應(yīng)的修改,即可用于不同的MCU。

ZigBee協(xié)議的層與層之間通過原語進(jìn)行信息的交換和應(yīng)答。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務(wù)接口。數(shù)據(jù)服務(wù)接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù),管理服務(wù)接口的目標(biāo)是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、 配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)是由無線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成的網(wǎng)狀無線網(wǎng)絡(luò)。采用ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無線通信,傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)溫/濕度數(shù)據(jù)的采集,將采集到數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器節(jié)點(diǎn),路由器節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由算法選擇最佳通信路徑,通過其他的節(jié)點(diǎn)以多跳的方式將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器通過串口USB和計(jì)算機(jī)相連,收集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù),并向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令和參數(shù)設(shè)置,實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的通信。監(jiān)控人員無須到達(dá)現(xiàn)場(chǎng),在監(jiān)控室通過計(jì)算機(jī)就可以對(duì)建筑物內(nèi)的溫/濕度進(jìn)行檢測(cè)[4-5]。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理、 無線通信和能量供應(yīng)4個(gè)模塊組成。無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感器節(jié)點(diǎn)

3.2 主控芯片最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元,是實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的基本平臺(tái)。在設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)分為中心節(jié)點(diǎn)和一般節(jié)點(diǎn)兩種類型。

中心節(jié)點(diǎn)由無線傳輸模塊、微處理器、串口、電源組成,接收周圍一般節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)。根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)來的控制指令,對(duì)一般節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制(可選)，獲取與一般節(jié)點(diǎn)之間的距離。

一般節(jié)點(diǎn)由無線傳輸模塊、微處理器、傳感器、電源組成。一般節(jié)點(diǎn)的功能是數(shù)據(jù)采集(由傳感器完成)，獲取與周圍節(jié)點(diǎn)之間的距離;將信息發(fā)送給周圍節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)周圍節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

3.3 電源模塊設(shè)計(jì)

由于協(xié)調(diào)器與一般設(shè)備工作的場(chǎng)合不同,所以采取的供電模式也不相同。本文中協(xié)調(diào)器采用USB 供電,而一般設(shè)備則采用可充電鋰電池供電。射頻電路對(duì)于電源噪聲很敏感,尤其是對(duì)毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會(huì)在每個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期內(nèi)短時(shí)間突然吸入大部分電流,這是因?yàn)槲⒖刂破鞫际遣捎肅MOS工藝制造的。

3.4 按鍵接口電路的設(shè)計(jì)

按鍵的一端與控制器 I/O 相連,并設(shè)置上拉電阻,按鍵的另一端接地。當(dāng)按鍵沒有按下時(shí),因上拉電阻的原因,I/O 端口檢測(cè)到高電平;當(dāng)按鍵按下時(shí),按鍵導(dǎo)通,I/O 端口的電平被拉低,檢測(cè)到低電平,可實(shí)現(xiàn)按鍵的掃描。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)有MCU的時(shí)鐘設(shè)置模塊、延時(shí)模塊、溫/濕度傳感器模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、主程序5個(gè)功能模塊。

MCU時(shí)鐘設(shè)置模塊在MCU上電之后,對(duì)其系統(tǒng)時(shí)鐘做相應(yīng)的設(shè)置,即選擇時(shí)鐘源。CC2530 具有內(nèi)置的時(shí)鐘發(fā)生器，同時(shí)還可以外接兩個(gè)時(shí)鐘源,將時(shí)鐘源按照 MCU外設(shè)的需求進(jìn)行設(shè)置。延時(shí)模塊包含微秒級(jí)別、毫秒級(jí)別的延時(shí)。因不同的MCU其指令系統(tǒng)不同,相同語句在不同的MCU下也會(huì)存在差異,因此將延時(shí)模塊劃分在硬件層中。溫/濕度傳感器模塊功能是采集溫/濕度傳感器所測(cè)得的溫度、濕度,包括溫/濕度傳感器模塊的初始化、溫/濕度傳感器與MCU數(shù)據(jù)通信以及溫/濕度傳感器內(nèi)部操作等函數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸模塊用于傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將溫/濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器,再傳到計(jì)算機(jī)中,便于及時(shí)掌握溫/濕度參數(shù)。

4.2 程序設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)基于TI公司推出的與CC2530芯片配套的Z-Stack協(xié)議棧和IAR集成開發(fā)環(huán)境。Z-Stack協(xié)議棧運(yùn)行在基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制的OSAL操作系統(tǒng)上,OSAL通過觸發(fā)任務(wù)的事件來實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。OSAL 中的任務(wù)可以通過任務(wù) API 將其添加到系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)由 CC2530內(nèi)部的MCU控制,定時(shí)向溫/濕度傳感器發(fā)送讀溫度、濕度指令。DHT11完成溫度、濕度轉(zhuǎn)換后會(huì)發(fā)出轉(zhuǎn)換完成信號(hào),MCU在接收到轉(zhuǎn)換完成信號(hào)后,讀取溫/濕度值,并將這些數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過串口RS-232與上位機(jī)相連,通過人機(jī)交互的方式對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。程序設(shè)計(jì)分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及節(jié)點(diǎn)通信設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 語

本文介紹了基于ZigBee的溫/濕度無線傳感節(jié)點(diǎn)及組網(wǎng)設(shè)計(jì),使用CC2530 芯片作為主控制器芯片,提高了系統(tǒng)的工作效率,降低了能耗,使系統(tǒng)能更好地處理各種數(shù)據(jù)。

[1] 李文仲,段朝玉.PIC 單片機(jī)與 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)戰(zhàn)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社,2007.

[2] 呂強(qiáng),劉玉華,劉志軍，等.基于ZigBee技術(shù)的無線溫濕度檢測(cè)終端設(shè)計(jì)[J].科技技術(shù)與工程,2008，23(8)：6321-6253.

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Design of Building Temperature and Moisture Monitoring and Networking Based on ZigBee

JI Yanqing,DONG Feixiang

(School of Electronic & Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

This paper introduced the design of building temperature and moisture monitoring and networking based on ZigBee technology.The overall design scheme,hardware design and software design were analyzed in detail.The sensor collects the temperature and moisture data to the terminal module,and the control system realizes the functions including the collection,treatment and transmitting of temperature and moisture,which improves the work efficiency.

wireless sensor network; ZigBee technology; hardware design; software design

TU 855

B

1674-8417(2016)10-0048-03

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.014

2016-10-08

董飛翔(1993—),男,研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑?/p>