基于ZigBee技術的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘要：以CC2530和zstack協(xié)議棧為平臺，給出了基于ZigBee技術的溫度、光照度無線傳感器網(wǎng)絡的設計方法，同時對協(xié)議棧的運行機制、組網(wǎng)過程及應用層的數(shù)據(jù)采集進行了分析與設計。實驗結果表明，該設計方法可行，各節(jié)點工作良好，能成功實現(xiàn)多跳網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集。

0 引言

各行各業(yè)尤其是工農業(yè)生產、環(huán)境監(jiān)測等領域，都對無線數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)提出了極大的需求和更高的要求。無線傳感網(wǎng)的迅速發(fā)展并逐漸走向成熟，使得這一需求得到了較好的滿足?；赯igBee技術的無線傳感網(wǎng)具有自組織、低功耗、以數(shù)據(jù)為中心、抗毀性強和無需架設網(wǎng)絡設施等優(yōu)勢，可以在外界環(huán)境十分惡劣的條件下，完成其他監(jiān)測手段無法完成的任務，代表了數(shù)字監(jiān)測的一個新的發(fā)展方向。本文以TI公司的CC2530和zstack協(xié)議棧為平臺，給出了基于ZigBee技術的溫度及光照度無線傳感器網(wǎng)絡的設計方法。

1 系統(tǒng)總體設計

本文設計的基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡由一個協(xié)調器節(jié)點、若干路由節(jié)點和眾多傳感節(jié)點組成，圖1所示是其系統(tǒng)總體結構。其中，傳感節(jié)點負責對環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)的監(jiān)測，然后通過路由節(jié)點以多跳方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器節(jié)點負責將數(shù)據(jù)上報給監(jiān)測中心PC機。

2 節(jié)點硬件設計

根據(jù)節(jié)點在系統(tǒng)中的應用不同，可分為傳感節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點。各節(jié)點的功能不盡相同，可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信、能量供應和串口通信等功能。各功能模塊采用模塊化的方法設計，這樣可以實現(xiàn)各模塊的并行設計、調試，縮短開發(fā)周期，同時也便于后期更換和擴展傳感器，從而方便后期維護或移植到其他監(jiān)測領域。

2.1 ZigBee模塊

本設計中的各節(jié)點選用CC2530芯片作為ZigBee模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理及ZigBee無線通信功能。CC2530內部集成了一個高性能2.4 GHz射頻收發(fā)器和一個增強型8051微處理器，最大256 KB可編程FLASH、8 KB的RAM并提供了一套廣泛的外設集，為2.4 G IEEE 802.15.4和ZigBee應用提供了一種SOC解決方案。該模塊的電路如圖2所示，圖2中包含了最小系統(tǒng)、射頻前端及I/O接口電路。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

各傳感節(jié)點通過一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20和CDS光敏電阻5 516對環(huán)境溫度、光照度進行數(shù)據(jù)采集，圖3所示是數(shù)據(jù)采集模塊電路圖。其中，DS18B20可實現(xiàn)-55～+125℃測量范圍及最高12位測溫分辨率，測溫精度可達±0.062 5℃，供電電壓范圍為+3～+5.5 V。本設計中供電電壓選擇來自LD1117穩(wěn)壓芯片的+3.3 V輸出，數(shù)據(jù)線DQ和CC2530芯片的P2.0相連實現(xiàn)一線接口，如圖3(a)所示。5516光敏電阻的亮電阻為5～10 kΩ，暗電阻為500 kΩ，電路如圖3(b)所示，輸出電壓為0～2 V，送至P0.5進行AD轉換。

3 節(jié)點軟件設計

節(jié)點軟件是在TI公司的ZigBee協(xié)議棧——Z-stack基礎上開發(fā)設計的。該協(xié)議棧支持ZigBee網(wǎng)絡的建立和加入、自組網(wǎng)、多跳傳輸和動態(tài)網(wǎng)絡拓撲。

3.1 Z-stack協(xié)議棧的運行機制

OSAL是TI公司開發(fā)的用于Z-Stack協(xié)議棧的一個輪轉查詢式的操作系統(tǒng)。OSAL把優(yōu)先級放在最重要的地位，優(yōu)先級高的任務中的所有事件都具有很高的優(yōu)先級，只要優(yōu)先級高的任務有事件沒有處理完，就一直處理，直到所有事件都得到處理，才去查詢下一個任務的事件。另外，即使當前在處理的任務中有兩個以上事件等待處理，處理完一件后，也要回頭再去查詢優(yōu)先級更高的任務。只有在優(yōu)先級更高的任務沒有事件要處理的情況下，才會處理原來任務優(yōu)先級第二高的事件。如果此時發(fā)現(xiàn)優(yōu)先級高的任務有了新的事件要處理，則立刻處理該事件。通過這種調度方式，就賦予了優(yōu)先級高的任務最大的權利，盡可能保證高優(yōu)先級任務的每一個事件都能得到最及時的處理。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡的組網(wǎng)過程

ZigBee網(wǎng)絡的組網(wǎng)過程包括網(wǎng)絡建立和加入網(wǎng)絡兩個方面，該部分是通過Z-Stack協(xié)議棧各層之間的原語通信實現(xiàn)的。協(xié)調器節(jié)點負責網(wǎng)絡的參數(shù)配置和建立，應用層通過ZDO層調用網(wǎng)絡層函數(shù)NLME NetworkFormationRequest()，在指定信道上進行主動掃描，即發(fā)送MAC層信標請求命令，探測該信道上已存在的網(wǎng)絡;然后網(wǎng)絡層根據(jù)主動掃描結果，設置PAN ID，網(wǎng)絡地址，擴展PAN ID等參數(shù);最后通知各應用端點一個新的ZigBee網(wǎng)絡已經建立起來了口其網(wǎng)絡建立過程如圖4所示。

加入網(wǎng)絡有多種方式，通過連接來加入網(wǎng)絡，重新加入網(wǎng)絡，孤立點加入網(wǎng)絡，預先配置加入網(wǎng)絡等。子節(jié)點通過連接方式加入網(wǎng)絡的過程圖如圖5所示。

子節(jié)點應用層通過ZDO層調用網(wǎng)絡層函數(shù)NLME_NetworkDiscoveryRequest()，在指定信道上進行主動掃描，然后監(jiān)聽一段時間看是否收到信標。通過多次發(fā)送MAC層信標請求命令，子節(jié)點可以知道周圍已存在網(wǎng)絡的有關信息，從而確定要加入網(wǎng)絡的PAN ID，然后通過NLME_Join Request()函數(shù)向要加入的節(jié)點發(fā)送MAC層連接請求命令。如果收到成功的MAC層連接響應命令，則可獲取父節(jié)點所分配的網(wǎng)絡地址。如果子節(jié)點是終端節(jié)點，則網(wǎng)絡加入過程到此完成。而如果子節(jié)點是路由節(jié)點，則子節(jié)點還需通過NLME_StartRouterRequest()函數(shù)啟動路由器。無論子節(jié)點是傳感節(jié)點還是路由節(jié)點，最后都要將加入網(wǎng)絡的結果通知各應用端點。

協(xié)調器和路由器節(jié)點可以通過NLME_PermitJoining Request()函數(shù)決定是否允許子節(jié)點加入到自己的網(wǎng)絡，這樣可以方便地控制子節(jié)點加入到指定的一個路由節(jié)點中，從而實現(xiàn)多跳組網(wǎng)。

3.3 數(shù)據(jù)采集程序設計

采用DS18B20作為測溫元件，其硬件電路相當簡單，但對于單片機來說，為獲取一次溫度數(shù)據(jù)，需要先對其執(zhí)行復位操作，發(fā)送ROM命令和RAM命令操作，啟動溫度的轉換;等待溫度轉換完成后，再重復執(zhí)行上述三步操作，才能實現(xiàn)溫度的讀取。根據(jù)DS18B20配置寄存器的不同，可分為9、10、11和12位的分辨率，所需轉換時間最小為93.75 ms，最大為750 ms。也就是說，在啟動溫度轉換后，必須等待較長的時間才能進行溫度的讀取操作。為了避免無謂的等待，本設計中將溫度的測量分為兩個事件：溫度的“轉換”和“讀取”事件。溫度采集時，可以設置一個“轉換”事件定時器。在處理“轉換”事件時，先向DS18B20發(fā)送溫度轉換命令，緊接著設置一個“讀取”事件定時器，然后返回OSAL處理其他事件，從而保證系統(tǒng)能及時地響應其他事件。在處理“讀取”事件時，只需要直接讀取溫度，然后再次設置“轉換”事件定時器，實現(xiàn)周期性數(shù)據(jù)采集。溫度傳感器的“轉換”和“讀取”事件處理流程如圖6所示。

4 實驗結果分析

4.1 組網(wǎng)實驗

組網(wǎng)測試時，通過TI公司的CC2531UD USB DONGLE和SmartRF Packet_Sniffer軟件對空中無線數(shù)據(jù)包進行抓包分析。子節(jié)點加入網(wǎng)絡過程中所抓到的數(shù)據(jù)包如圖7所示。子節(jié)點(IEEE地址為0x001248000201781D)先發(fā)出一個MAC層信標請求命令，接著協(xié)調器節(jié)點(網(wǎng)絡地址為0x0000)發(fā)出了一個信標幀作為響應。然后，子節(jié)點又發(fā)出一個MAC層連接請求命令，接著協(xié)調器節(jié)點返回一個應答幀。最后，子節(jié)點向協(xié)調器節(jié)點發(fā)送一個MAC層數(shù)據(jù)請求命令，接著協(xié)調器節(jié)點發(fā)出一個MAC層連接響應命令作為響應，為子節(jié)點分配一個網(wǎng)絡地址0x0001。通過數(shù)據(jù)包圖可見子節(jié)點已成功加入網(wǎng)絡。

4.2 數(shù)據(jù)采集實驗

實驗中，設定各傳感節(jié)點每隔2 s進行一次數(shù)據(jù)采集，然后將采集數(shù)據(jù)經過路由節(jié)點發(fā)送至協(xié)調器，協(xié)調器通過RS232串口將數(shù)據(jù)上傳給PC機，最終顯示的采集數(shù)據(jù)如圖8所示。圖8中的采集數(shù)據(jù)分別是節(jié)點號為10 650和10 120的2個傳感節(jié)點通過路由節(jié)點2 181(父節(jié)點)發(fā)送至協(xié)調器的。實驗時人工測量溫度值為20.3℃，與采集到的數(shù)據(jù)基本吻合。

5 結語

基于ZigBee技術的無線傳感網(wǎng)可以較好滿足各行各業(yè)對無線數(shù)字監(jiān)測的需求。本文以CC2530和Z-stack協(xié)議棧為平臺，組建了一個多跳ZigBee網(wǎng)絡，實現(xiàn)對環(huán)境溫度、光照度等數(shù)據(jù)的無線監(jiān)測。實驗結果表明，本設計多跳組網(wǎng)成功，數(shù)據(jù)采集結果正確。