基于ZigBee技術的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

摘要：隨著嵌入式計算、傳感器、無線通信等技術的飛速發(fā)展，無線傳感網(wǎng)被廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、軍事國防和工農(nóng)業(yè)控制等諸多領域，已成為電子信息技術發(fā)展的一個熱點。CC2430是TI公司針對ZigBee的無線傳感網(wǎng)芯片解決方案，具有功耗低，可靠性高，組網(wǎng)簡單等優(yōu)勢?；贑C2430和ZigBee協(xié)議，設計了溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，分別給出了協(xié)調(diào)器和普通節(jié)點的軟件算法，在干擾環(huán)境下測試表明，網(wǎng)絡具有較強的魯棒性和自組能力。
關鍵詞：無線傳感網(wǎng)；CC2430；ZigBee；數(shù)據(jù)采集

0 引言
    隨著計算機網(wǎng)絡技術及無線移動通信技術的迅速發(fā)展，各種新的無線網(wǎng)絡通信技術不斷涌現(xiàn)，如GSM，3G等無線移動通信技術以及藍牙、WiFi等無線局域網(wǎng)技術，它們越來越被人們所熟悉和應用。然而，這些技術的設備系統(tǒng)非常復雜，且功耗較大、成本很高，不便于在一些低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的場合使用，例如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能家居等領域。近年來，無線傳感網(wǎng)的出現(xiàn)為這些問題帶來了更好的解決方法，其中ZigBee作為一種低復雜度、低功耗、低成本的低速率無線連接技術越來越被人們所重視，開發(fā)應用ZigBee技術的無線設備已成為業(yè)界的一個熱點。本文設計一種基于ZigBee的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用CC2430通信模塊組建小型無線傳感器網(wǎng)絡，并實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡的軟硬件設計。其算法經(jīng)干擾環(huán)境下測試表明，網(wǎng)絡具有較強的魯棒性和自組能力。

1 ZigBee技術及CC2430簡介
1．1 ZigBee技術
    ZigBee技術是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的無線網(wǎng)絡技術。它是介于無線標記技術和藍牙之間的技術，主要用于近距離無線連接。一般而言，隨著通信距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術，ZigBee技術是最低功耗和最低成本的技術。由于ZigBee技術的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點，決定了ZigBee技術適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務。所以ZigBee聯(lián)盟預測的主要應用領域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設備控制等。
1．2 CC2430芯片
    該設計的微處理器使用TI公司的CC2430，它可用于2．4 GHz IEEE 802．15．4／ZigBee的片上系統(tǒng)解決方案。CC2430內(nèi)部整合了IEEE80 2．15．4標準的2．4 GHz的RF無線電收發(fā)機、內(nèi)存和微控制器。它使用一個8位MCU(8051)，有128 KB的可編程閃存和8 KB的RAM，同時還包含ADC、定時器、AES-128協(xié)同處理器、看門狗定時器、掉電檢測電路等。CC2430芯片采用0．18μm CMOS工藝生產(chǎn)，封裝尺寸僅7 mm×7 mm。微處理器全速工作頻率為32 MHz，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗約為27 mA。CC2430的休眠模式以及其從休眠模式轉(zhuǎn)換到工作模式的超短時間(在微秒級)的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。
 
2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構
    無線傳感器網(wǎng)絡終端節(jié)點主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊負責通過各種類型的傳感器采集物理信息；數(shù)據(jù)處理模塊負責控制整個節(jié)點的處理操作、功耗管理以及任務管理等；數(shù)據(jù)通信模塊負責與其他節(jié)點進行無線通信，它通過ZigBee無線電波將數(shù)據(jù)傳送到路由節(jié)點或主協(xié)調(diào)器節(jié)點，路由節(jié)點再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到主協(xié)調(diào)器節(jié)點或經(jīng)過上級路由節(jié)點轉(zhuǎn)給主協(xié)調(diào)器節(jié)點，主協(xié)調(diào)器節(jié)點通過RS 232串口將所有信息匯集傳至PC機或服務器。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體架構圖如圖1所示。

3 ZigBee節(jié)點硬件設計
    本文總體硬件設計是實現(xiàn)針對主協(xié)調(diào)器節(jié)點的設計與開發(fā)。主協(xié)調(diào)器的硬件系統(tǒng)中包括CC2430通信模塊、鍵盤電路模塊、串口轉(zhuǎn)USB模塊、液晶顯示模和電源電路模塊等。主協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要功能是負責接收和存儲傳感器節(jié)點發(fā)送來的消息，并向傳感器節(jié)點發(fā)布網(wǎng)絡控制信息，同時與Pc機進行數(shù)據(jù)交換。其中串口轉(zhuǎn)USB模塊負責轉(zhuǎn)換CC2430模塊與PC機的通信信號；液晶顯示模塊負責節(jié)點工作狀態(tài)的指示；電源模塊通常采用持續(xù)電力供電，為主協(xié)調(diào)器節(jié)點提供運行所需的能量。根據(jù)氣象采集系統(tǒng)的需求設計硬件結構，并設計各部分電路，包括無線傳輸模塊、CC2430接口模塊、復位電路模塊、電源電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、擴展電路模塊及外圍電路。如圖2所示為主協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件組成圖。

    溫度傳感模塊的核心元件為Pt100鉑電阻，它是正溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，線性較好，在0～100℃之間變化時，最大非線性偏差小于0．5℃。另外，Pt100溫度傳感器還具有抗振動、穩(wěn)定性好、準確度高、耐高壓等優(yōu)點。模塊框圖如圖3所示。

    濕度傳感模塊采用數(shù)字集成電路SHT11，其性能特點是：將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一塊芯片上(CMOSensTM技術)；濕度傳感模塊框圖如圖4所示。

4 ZigBee網(wǎng)絡軟件設計
    傳感器網(wǎng)絡軟件設計的主要任務是無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)、傳感器工作的控制以及數(shù)據(jù)的采集與收發(fā)。傳感器節(jié)點主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與定時發(fā)送；路由節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；匯聚節(jié)點一方面負責網(wǎng)絡配置與管理，包括定義通信信道、網(wǎng)絡標識符(PANID)，配置網(wǎng)絡的Profile，
響應節(jié)點加入網(wǎng)絡的請求和綁定請求，為其他節(jié)點分配網(wǎng)絡地址等。另一方面還接收各傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，將其進行匯聚后通過RS 232串口傳給PC機終端。
    首先上電初始化整個系統(tǒng)，啟動協(xié)調(diào)器建立一個新的網(wǎng)絡，路由節(jié)點和傳感器節(jié)點尋找并加入網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)器即可與終端節(jié)點進行綁定。綁定完成后傳感器節(jié)點即可采集數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)，收集節(jié)點負責接收數(shù)據(jù)，并通過RS 232傳至PC顯示。圖5為協(xié)調(diào)器和傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集算法流程圖。

    路由節(jié)點的流程基本與協(xié)調(diào)器相似，只是它將接收的信息再轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。
    經(jīng)測試，上述算法運行于網(wǎng)絡后，網(wǎng)絡魯棒性和自組能力明顯增強。

5 結論
    本文基于TI的CC2430芯片和ZigBee協(xié)議，設計了溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，介紹了硬件設計方法，給出了數(shù)據(jù)采集軟件算法。經(jīng)多次試驗，節(jié)點能夠準確采集溫度和濕度等數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點。在干擾環(huán)境下測試表明，該網(wǎng)絡具有較強魯棒性和自組能力。