基于Z—Stack的無線溫濕度采集系統(tǒng)

摘要：針對現(xiàn)有的有線溫濕度采集系統(tǒng)，存在系統(tǒng)布線復(fù)雜、維護困難、成本高等問題，提出一種基于Z—Stack的無線溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計方法。設(shè)計采用CC2430射頻芯片及SHT11數(shù)字溫濕度傳感器，在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)。闡述了系統(tǒng)的原理，節(jié)點的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。實驗表明，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集。
關(guān)鍵詞：溫濕度；CC2430；SHT11；協(xié)調(diào)器；節(jié)點；Z—Stack；無線通信

0 引言
    在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，進(jìn)行環(huán)境的溫濕度檢測是必不可少的內(nèi)容。目前，很多場合的測溫濕系統(tǒng)采用的還是傳統(tǒng)的有線測溫濕度設(shè)備，傳統(tǒng)的多點分布式溫濕度測量系統(tǒng)采用有線傳輸方式，需要在現(xiàn)場進(jìn)行大量布線，這給系統(tǒng)的布設(shè)、維護和更新升級帶來諸多不便。
    ZigBee是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它依據(jù)IEEE 802．1 5．4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。它使用2．4GHz波段，采用調(diào)頻及擴頻技術(shù)，具有短時延、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點。Z igBee無線網(wǎng)絡(luò)主要是為工農(nóng)業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立。本文設(shè)計了一種基于無線射頻技術(shù)的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)，它以射頻芯片CC2430為核心，在數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的配合下，在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，能夠高效地完成環(huán)境溫濕度的無線監(jiān)測，可以有效解決復(fù)雜布線帶來的不便。

1 系統(tǒng)原理
    本文設(shè)計的是基于Z—Staek的無線溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在TI的Z—Stack 1．4．2協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)無線組網(wǎng)及通信。即協(xié)調(diào)器自動組網(wǎng)，終端節(jié)點(附帶溫濕度傳感器)自動入網(wǎng)，并采集溫濕度數(shù)據(jù)廣播傳輸，協(xié)調(diào)器接收到信息后將溫濕度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC計算機顯示。以此實現(xiàn)基于Z—Stack協(xié)議棧的溫濕度數(shù)據(jù)的無線透明傳輸，其原理框圖如圖1所示。

    本系統(tǒng)主要由五個單元模塊構(gòu)成：數(shù)字溫濕度傳感器、傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器、上位機和能量供應(yīng)模塊組成。數(shù)字溫濕度傳感器模塊，負(fù)責(zé)區(qū)域內(nèi)的溫濕度信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；傳感器節(jié)點中的微控制器負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點的操作和數(shù)據(jù)存儲；ZigBee無線收發(fā)模塊負(fù)責(zé)對信號進(jìn)行處理發(fā)送；傳感器節(jié)點由溫濕度傳感器SHT11檢測得到溫濕度信息，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳輸至CC2430，由CC2430負(fù)責(zé)對信號進(jìn)行處理發(fā)送。節(jié)點電源部分使用兩節(jié)AA電池，通過一個電壓轉(zhuǎn)換芯片BL8555將電壓轉(zhuǎn)化成3．3 V。其中協(xié)調(diào)器是匯聚節(jié)點，多個溫濕度傳感器節(jié)點放置于不同的監(jiān)測區(qū)域，每個傳感器都會把采集的溫濕度送給傳感器節(jié)點，再由傳感器節(jié)點把數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳輸給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器統(tǒng)一把數(shù)據(jù)傳送給上位機做進(jìn)一步處理和顯示。

2 硬件設(shè)計
2．1 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計
    傳感器節(jié)點主要由數(shù)字溫濕度傳感器、微控制器及無線通信電路組成。傳感器節(jié)點的主控制器實時采集處理溫濕度數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳遞給CC2430無線通信模塊，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時發(fā)送。
2．2 通信節(jié)點硬件設(shè)計
    協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立無線網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息、對消息進(jìn)行路由選擇等任務(wù)，其硬件組成主要包括處理器、時鐘電路、存儲器、電平轉(zhuǎn)換電路、天線等部分。在本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點采用CC2430為核心的控制器，它只需少量的外圍電路即可實現(xiàn)無線通信功能，硬件電路如圖2所示。

3 軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)基于TI的Z—Stack協(xié)議棧，Z—Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪詢機制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式，如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。整個Z—Stack的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動，驅(qū)動初始化，OSAL初始化和啟動，進(jìn)入任務(wù)輪循幾個階段，Z—Stack系統(tǒng)運行流程如圖3所示。

3．1 節(jié)點軟件設(shè)計
    在本采集系統(tǒng)中，各節(jié)點的系統(tǒng)底層采用TI公司的Z—Stack協(xié)議棧，各節(jié)點的network_specific參數(shù)配置相同。協(xié)調(diào)器首先在某個頻段發(fā)起一個網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)頻段的定義放在DEFAULT_CHANLIST配置文件里，并根據(jù)ZDAPP_CONFIG_PANID的定義建立PAN ID，并掃描DEFAULT_CHANLI ST指定的所有信道，并選擇最佳信道組建網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點啟動后，掃描DEFAULT_CHANLIST所指定的信道并根據(jù)ZDAPP_CONFIG_PANID所定義的PANID自動加入網(wǎng)路。各節(jié)點的軟件流程如圖4，圖5所示。

3．2 溫濕度傳感器采集流程圖
    與CC2430相連DATA、SCK兩引腳，通過SCK引腳線可以實現(xiàn)對SHT11的控制，通過DATA引腳線可以傳輸傳感器采集的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中溫濕度傳感器的時鐘線與傳感器節(jié)點CC2430的P0_0線連接，數(shù)據(jù)線與P0_1線相連，采集中設(shè)置SHT11的工作精度為14位溫度，12位的濕度測量，總流程圖如圖6所示，讀取溫濕度流程圖如圖7所示。

3．3基于Z—Stack協(xié)議棧的溫濕度數(shù)據(jù)無線透明傳輸?shù)膶崿F(xiàn)
    在Z-Stack協(xié)議棧中，協(xié)調(diào)器自啟動，節(jié)點設(shè)備自動入網(wǎng)之后，兩者建立無線通信，數(shù)據(jù)的發(fā)送主要有兩種方式，一種為周期定時發(fā)送信息，另一種需要通過按鍵事件觸發(fā)發(fā)送FLASH信息，在本設(shè)計中采用周期定時廣播的方式發(fā)送ZigBee節(jié)點端采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。在Z-Stack中，每個應(yīng)用任務(wù)都通過調(diào)用應(yīng)用層的ProcessEvent()函數(shù)來處理任務(wù)事件，在ProcessEvent()中有一個事件處理循環(huán)，循環(huán)檢測事件的發(fā)生。因此在節(jié)點模塊端的SampleApp_SendPeriodicMessage周期信息發(fā)送函數(shù)中添加溫濕度采集函數(shù)，并通過AF_DataRequest()函數(shù)接口實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的無線發(fā)送，同樣在協(xié)調(diào)器信息處理函數(shù)SampleAPP_MessageCB中，添加溫濕度數(shù)據(jù)處理和發(fā)送函數(shù)，并在協(xié)調(diào)器的應(yīng)用層通過檢測AF_INCOMING_MSG_CMD消息事件來判斷是否有數(shù)據(jù)收到，有數(shù)據(jù)時，將捕獲的溫濕度數(shù)據(jù)處理后，以字符串的形式通過串口顯示在PC機的終端中。利用超級終端接收到的溫濕度數(shù)據(jù)如圖8所示。

4 結(jié)論
    本系統(tǒng)在啟動協(xié)調(diào)器模塊后，能實現(xiàn)自動組網(wǎng)，節(jié)點端自動入網(wǎng)，并能將采集的溫濕度數(shù)據(jù)廣播發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到信息后通過串口將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機，本系統(tǒng)具有低復(fù)雜度、低功耗、短時延、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點，并解決了傳統(tǒng)的有線傳輸方式，需要在現(xiàn)場進(jìn)行大量布線，系統(tǒng)的布設(shè)、維護和更新升級的困擾，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，能精確實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的采集、傳輸，在實際中有很好的應(yīng)用價值。