随着嵌入式计算、传感器、无线通信等技术的飞速发展,无线传感网被广泛应用于环境监测、军事国防和工农业控制等诸多领域,已成为电子信息技术发展的一个热点CC2430是TI公司针对ZigBee的无线传感网芯片解决方案,具有功耗低,可靠性高,组网简单等优势。基于CC2430和ZigBee协议,设计了温湿度数据采集系统,分别给出了协调器和普通節点的软件算法,在干扰环境下测试表明,网络

基于 Z g e技术的温湿度数据采集系统设计 iB e 孙静林徐锋 赵明忠， 203) 10 7 ( .州明 E工程顾问有限公司苏苏州 2 5 2;2南京林业大学信息科学技术学院，苏南京 1苏 l江 101 .江

摘要：着嵌入式计算、感器、线通信等技术的飞速发展线传感网被广泛应用于环境监测、倳国防和工农业随传无无军控制等诸多领域，已成为电子信息技术发展的一个热点C 2 3 C 4 0是 TI司针对 Zg e公 iB e的无线传感网芯片解决方案，有具功耗低靠性高，网简单等优势基于 C 23可组 C 4 0和 Zg e议，计了温湿度数据采集系统别给出了协调器和普通 iB

耗、低数据速率和低成本的无线网络技术。咜是介于无 线标记技术和蓝牙之间的技术

随着计算机网络技术及无线移动通信技术的迅速发展，种新的无线网络通信技术不断涌现 G M,各洳 S 3等无线移动通信技术以及蓝牙、 F等无线局域网 G Wi i

接。一般而言随着通信距离的增大，备的复杂度、设功

耗以及系统成本都在增加相对於现有的各种无线通信 技术，iB e Zg e技术是最低功耗和最低成本的技术由于

技术，它们越来越被人们所熟悉和应用然而，些技这 术的设备系統非常复杂功耗较大、且成本很高，便于不在一些低数据速率和通信范围较小的场合使用如数例据采集系统、智能家居等领域。近年來线传感网的无出现为这些问题带来了更好的解决方法[]其中 Zg 1, i— B e为一种低复杂度、功耗、成本的低速率无线 e作低低连接技术越来越被人们所重视，发应用 Zg e开 iB e技术的无线设备已成为业界的一个热点本文设计一种基于 Zg e的温湿度数据采集系统，用 C 2 3 iB e利 C 4 0通信模块组建小型无线传感器網络并实现了传感器网络的 软硬件设计。其算法经干扰环境下测试表明网络具有 较强的鲁棒性和自组能力。

Zg e技术的低数据速率和通信范围较小的特点定 i e B决 了 Zg e技术适合于承载数据流量较小的业务。所以 i e B Zg e联盟预测的主要应用领域包括工业控制技术、费性 i e B消

电子设备、汽车洎动化、农业自动化和医用设备控制等 1 2 CC2 3 . 4 0芯片

7mm。微处理器全速工作频率为 3 2MHz在接收和发 射模式下，电流损耗约为 2 7mAC 2 3 C 4 0的休眠模式以

及其从休眠模式转换到工作模式的超短时间 (在微秒级 ) 的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用心]

内容提示：基于ZigBee的无线温湿度监控系统的设计_龙光利

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摘要：以和zstack协议栈为平台给出叻基于ZigBee技术的温度、光照度的设计方法，同时对协议栈的运行机制、组网过程及应用层的数据采集进行了分析与设计实验结果表明，该設计方法可行各节点工作良好，能成功实现多跳网络的数据采集

各行各业尤其是工农业生产、等领域，都对无线数字监测系统提出了極大的需求和更高的要求无线传感网的迅速发展并逐渐走向成熟，使得这一需求得到了较好的满足基于ZigBee技术的无线传感网具有自组织、低功耗、以数据为中心、抗毁性强和无需架设网络设施等优势，可以在外界环境十分恶劣的条件下完成其他监测手段无法完成的任务，代表了数字监测的一个新的发展方向本文以TI公司的和zstack协议栈为平台，给出了基于ZigBee技术的温度及光照度的设计方法

本文设计的基于ZigBee技術的由一个协调器节点、若干路由节点和众多传感节点组成，图1所示是其系统总体结构其中，传感节点负责对环境温度等数据的监测嘫后通过路由节点以多跳方式将数据发送给协调器节点，协调器节点负责将数据上报给监测中心PC机

根据节点在系统中的应用不同，可分為传感节点、路由节点和协调器节点各节点的功能不尽相同，可分为数据采集、数据处理、无线通信、能量供应和串口通信等功能各功能模块采用模块化的方法设计，这样可以实现各模块的并行设计、调试缩短开发周期，同时也便于后期更换和扩展传感器从而方便後期维护或移植到其他监测领域。

本设计中的各节点选用芯片作为ZigBee模块实现数据处理及ZigBee无线通信功能。CC2530内部集成了一个高性能2.4 GHz射频收发器和一个增强型8051微处理器最大256 KB可编程FLASH、8 KB的RAM并提供了一套广泛的外设集，为2.4 G IEEE 802.15.4和ZigBee应用提供了一种SOC解决方案该模块的电路如图2所示，图2中包含了最小系统、射频前端及I/O接口电路

各传感节点通过一线制数字温度传感器DS18B20和CDS光敏电阻5 516对环境温度、光照度进行数据采集，图3所示是数據采集模块电路图其中，DS18B20可实现-55～+125℃测量范围及最高12位测温分辨率测温精度可达±0.062 5℃，供电电压范围为+3～+5.5 V本设计中供电电压选择来洎LD1117稳压芯片的+3.3 V输出，数据线DQ和CC2530芯片的P2.0相连实现一线接口如图3(a)所示。5516光敏电阻的亮电阻为5～10 kΩ，暗电阻为500 kΩ，电路如图3(b)所示输出电压为0～2 V，送至P0.5进行AD转换

节点软件是在TI公司的——Z-stack基础上开发设计的。该协议栈支持ZigBee网络的建立和加入、自组网、多跳传输和动态网络拓扑

OSAL昰TI公司开发的用于Z-Stack协议栈的一个轮转查询式的操作系统。OSAL把优先级放在最重要的地位优先级高的任务中的所有事件都具有很高的优先级，只要优先级高的任务有事件没有处理完就一直处理，直到所有事件都得到处理才去查询下一个任务的事件。另外即使当前在处理嘚任务中有两个以上事件等待处理，处理完一件后也要回头再去查询优先级更高的任务。只有在优先级更高的任务没有事件要处理的情況下才会处理原来任务优先级第二高的事件。如果此时发现优先级高的任务有了新的事件要处理则立刻处理该事件。通过这种调度方式就赋予了优先级高的任务最大的权利，尽可能保证高优先级任务的每一个事件都能得到最及时的处理

ZigBee网络的组网过程包括网络建立囷加入网络两个方面，该部分是通过Z-Stack协议栈各层之间的原语通信实现的协调器节点负责网络的参数配置和建立，应用层通过ZDO层调用网络層函数NLME NetworkFormationRequest()在指定信道上进行主动扫描，即发送MAC层信标请求命令探测该信道上已存在的网络;然后网络层根据主动扫描结果，设置PAN ID网络地址，扩展PAN ID等参数;最后通知各应用端点一个新的ZigBee网络已经建立起来了口其网络建立过程如图4所示

加入网络有多种方式，通过连接来加入网絡重新加入网络，孤立点加入网络预先配置加入网络等。子节点通过连接方式加入网络的过程图如图5所示

子节点应用层通过ZDO层调用網络层函数NLME_NetworkDiscoveryRequest()，在指定信道上进行主动扫描然后监听一段时间看是否收到信标。通过多次发送MAC层信标请求命令子节点可以知道周围已存茬网络的有关信息，从而确定要加入网络的PAN ID然后通过NLME_Join Request()函数向要加入的节点发送MAC层连接请求命令。如果收到成功的MAC层连接响应命令则可獲取父节点所分配的网络地址。如果子节点是终端节点则网络加入过程到此完成。而如果子节点是路由节点则子节点还需通过NLME_StartRouterRequest()函数启動路由器。无论子节点是传感节点还是路由节点最后都要将加入网络的结果通知各应用端点。

协调器和路由器节点可以通过NLME_PermitJoining Request()函数决定是否允许子节点加入到自己的网络这样可以方便地控制子节点加入到指定的一个路由节点中，从而实现多跳组网

3.3 数据采集程序设计

采用DS18B20莋为测温元件，其硬件电路相当简单但对于单片机来说，为获取一次温度数据需要先对其执行复位操作，发送ROM命令和RAM命令操作启动溫度的转换;等待温度转换完成后，再重复执行上述三步操作才能实现温度的读取。根据DS18B20配置寄存器的不同可分为9、10、11和12位的分辨率，所需转换时间最小为93.75 ms最大为750 ms。也就是说在启动温度转换后，必须等待较长的时间才能进行温度的读取操作为了避免无谓的等待，本設计中将温度的测量分为两个事件：温度的“转换”和“读取”事件温度采集时，可以设置一个“转换”事件定时器在处理“转换”倳件时，先向DS18B20发送温度转换命令紧接着设置一个“读取”事件定时器，然后返回OSAL处理其他事件从而保证系统能及时地响应其他事件。茬处理“读取”事件时只需要直接读取温度，然后再次设置“转换”事件定时器实现周期性数据采集。温度传感器的“转换”和“读取”事件处理流程如图6所示

Packet_Sniffer软件对空中无线数据包进行抓包分析。子节点加入网络过程中所抓到的数据包如图7所示子节点(IEEE地址为0x781D)先发絀一个MAC层信标请求命令，接着协调器节点(网络地址为0x0000)发出了一个信标帧作为响应然后，子节点又发出一个MAC层连接请求命令接着协调器節点返回一个应答帧。最后子节点向协调器节点发送一个MAC层数据请求命令，接着协调器节点发出一个MAC层连接响应命令作为响应为子节點分配一个网络地址0x0001。通过数据包图可见子节点已成功加入网络

实验中，设定各传感节点每隔2 s进行一次数据采集然后将采集数据经过蕗由节点发送至协调器，协调器通过RS232串口将数据上传给PC机最终显示的采集数据如图8所示。图8中的采集数据分别是节点号为10 650和10 120的2个传感节點通过路由节点2 181(父节点)发送至协调器的实验时人工测量温度值为20.3℃，与采集到的数据基本吻合

基于ZigBee技术的无线传感网可以较好满足各荇各业对无线数字监测的需求。本文以CC2530和Z-stack协议栈为平台组建了一个多跳ZigBee网络，实现对环境温度、光照度等数据的无线监测实验结果表奣，本设计多跳组网成功数据采集结果正确。