基于ZigBee无线传感的温湿度监测系统设计*

张晓桃，曾春平，马 琨，叶 飞

(昆明理工大学 理学院，云南 昆明 650500)



基于ZigBee无线传感的温湿度监测系统设计*

张晓桃，曾春平，马 琨，叶 飞

(昆明理工大学 理学院，云南 昆明 650500)

基于现代农业种植、工业生产和环境气候监测信息化发展的需求，设计了一种基于ZigBee无线传感的温湿度监测系统。从系统架构、硬件和软件等3个方面进行思考和设计，成功建立了ZigBee无线传感网络。ZigBee的网络拓扑结构有3种：星型网络拓扑结构、网状网络拓扑结构和簇状网络拓扑结构。该设计采用的是网状网络拓扑结构，结构稳定，同时采用TI公司的低功耗射频芯片CC2530作为通信模块，实现了对温湿度的实时监测。与传统的有线网络监测系统相比，该系统布线简单，成本低，精确度高，扩展性好。

ZigBee；无线传感；CC2530；温湿度监测；实时监测

在现代农业种植、工业生产、环境气候监测和人们的工作生活中，周围环境的温度和湿度是众多应用场合的重要指标参数，温度和湿度过高或过低都会影响正常的生活以及产品的良好性能。要时刻关注环境变化，就应对环境温度和湿度进行监测，因此研究可靠实用的监测系统显得尤为重要。传统的方式是采用RS485或CAN总线等有限方式传输数据，其布线复杂，容易受雷击老化，这些都影响了设备的可靠性，并且设备不能随意移动位置[1]；而无线网络传感器具有携带方便和耗能低等优良特性，因此受到人们普遍欢迎[2]。

当前比较常用的具有短距离无线网络传输功能的技术有6种，分别为超宽带通信(UWB)、无线局域网络(WiFi)、近场通信(NFC)、蓝牙(Bluetooth)、红外IrDA和ZigBee技术。ZigBee技术以其低功耗、高速率和短延时等各种优点在WSN中有着广泛的市场应用前景，是最有可能应用在传感器网络、温室大棚、环境监测、医疗设备和军事系统等各领域的无线技术[3]。本文设计一种基于ZigBee无线传感网络的多点温湿度监控系统。

1 系统方案设计

本监控系统的ZigBee无线传感网络采用网状拓扑结构，主要由上位机、协调器、路由器和终端节点设备组成(见图1)。其中，路由器和终端节点把温湿度传感器测得的数据，通过ZigBee网络传给协调器，协调器通过RS232串口，将无线传感网内节点的感知数据实时上传给上位机，同时接受并转发上位机发送的控制数据。

图1 系统结构框图

协调器是网络的核心，负责网络的搭建以及监督网络的正常运行，协调器与路由器以及终端节点采用自组织的方式组建无线传感网络。在无线传感网络的建立过程中，首先，由协调器初始化网络，初始化完成后，开始扫描信道，进行能量检测，选择信道以及合适的PAN ID，成功之后就广播网络ID、信道，ZigBee网络就建立了；然后，协调器进入监听状态等待子节点发送入网请求信号，收到入网请求后，协调器允许子节点入网并分配网络短地址给子节点，这就实现了子节点的入网功能；最后，协调器收到来自子节点的数据请求后，将接受数据并通过串口传输给上位机，这就是数据的收发功能[4]。

2 硬件系统设计

2.1 系统核心芯片

在硬件电路中，考虑到低功耗要求，选择芯片CC2530。CC2530是TI公司以C51内核的ZigBee芯片，它支持国际802.15.4标准以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE标准，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点，其具有低功耗、低成本、低速率、短时延、高容量和高安全等特点。该芯片最大传输距离是100 m，在增加RF发射功率后，传输距离可达1～3 km[5]。CC2530芯片集成了2.4 GHz的射频收发器、增强型工业标准的8051 MCU、最大256 kB可编程FLASH和8kB的RAM，并提供有一套广泛的外设(包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO)[6]。

射频电路模块FB2530是TI公司的第2代片上系统解决方案CC2530 F256的全功能模块，集射频收发及MCU控制功能于一体。其外围原件包含1颗32 MHz晶振和4颗32.768 kHz晶振及其他一些阻容器件，它是整个节点的核心，负责传感器的驱动和数据的传输工作。其内部已经集成了大量的电路，只需要很少的外围电路即可实现功能。射频电路结构框图如图2所示。

2.2 协调器的硬件设计

协调器是网络的核心，负责网络的搭建以及监督网络的正常运行，协调器与路由器以及终端节点采用自组织的方式组建无线传感网络，主要由红外遥控信号收发模块、五相按键及指示灯模块、LED显示模块、RS232接口模块和电源/电池模块构成(见图3)。

2.2.1 红外遥控信号收发模块

该模块的信号输入由U2及其他一些阻容件完成，IR信号经解调去载波后输入射频控制模块FB2530RF。红外遥控信号的输出由射频控制模块FB2530RF直接驱动红外发射二极管D9完成发射。

2.2.2 五相按键及指示灯模块

该模块由1个五相按键、4颗轻触按键和6个LED指示灯组成。五相按键通过KEY_MOVE、KEY_LEVEL来描述按键动作，当按键朝任何方向移动或被按下时，KEY_MOVE为高电平，按键方向通过信号KEY_LEVEL的值来描述。

2.2.3 LED显示模块

该液晶显示模块提供串口和并口等2种接口，串口的液晶显示模块放置于P15的奇数脚侧，并口的液晶显示模块放置于P15的偶数脚侧。

图2 射频电路结构框图

图3 协调器节点模块结构图

2.2.4 RS232接口模块

该模块通过RS232串口与其他外设进行通信，电路上采用U11进行RS232转换，另外又单独设置了1个开关用于管理U11的启动和关闭。

2.2.5 电源/电池模块

该FB2530EB开发板可以通过电源供电，FB2530带有1个DC 5 V的电源适配器接口P7，输入电压经过LDO U8降压为+3.3 V稳定的直流电压输出供后极使用；也可以通过2节5号干电池供电，输出电压为1.7～3 V，板载电源电路将其调整到+3.3 V稳定的直流电压输出供后极使用。

2.3 终端节点以及路由器模块

终端节点主要负责数据的采集，并且把采集到的数据通过ZigBee网络发送给协调器，另外，路由器和终端节点的模块构成相同，也能采集温湿度数据，主要由红外遥控信号收发模块、五相按键及指示灯模块、LED显示模块、温湿度传感模块和电源/电池模块构成，结构框图如图4所示。

图4 终端节点以及路由器模块结构图

温湿度传感模块采用的是飞比科技有限公司的温湿度传感板，型号为Fk3207T11，可同时实现环境的温度和湿度数据的采集。其温度采集精度可达±0.5 ℃，湿度精度可达±3.5%RH。其采用双向两线串行数据接口与CC2530-ZigBee模块进行通信，大大节省了系统资源，简化了其采集系统的设计。

3 软件系统设计

3.1 软件开发概述

软件设计包括协调器节点软件设计、路由器节点软件设计和终端节点软件设计，本系统采用TI公司CC2530提供支持的免费ZigBee协议栈，采用C作为编程语言，在Z-Stack通用模板的基础上，通过调用API来实现整个系统的软件设计[7]。本文在Z-Stack的基础上，利用已有的软件架构，开发了基于ZigBee无线传感的温湿度监测系统。

3.2 ZigBee无线组网模块

在Z-Stack协议栈中，协调器在上电启动后，会调用ZDOInitDevice初始化网络设备，然后调用ZDApp_NetworkInit来初始化网络，触发ZDAppTaskID的ZDO_NETWORK_INIT事件。系统在轮询时会发现ZigBee设备应用层任务有事件需要处理时，将调用ZDApp_event_loop事件处理函数。在这个函数里，系统会调用ZDO StartDevice来启动创建新网络的过程，然后调用NLME_NetworkFormationRequest请求网络层启动新的ZigBee网络，结果将通过ZDO NetworkFormationConfirmCB返回给ZDO层。如果新网络建立成功，则会触发ZDAppTaskID的ZDO_NETWORK_START事件，这个事件将在ZDApp_event_loop事件处理函数里得到处理。

4 测试结果

本系统采用网状结构网络，共有4个节点：1个协调器、1个路由器和2个终端节点设备。其中，路由器和终端节点设备都能监测到温湿度数据，并将监测到的数据传递给协调器，设置串口为COM3，打开软件就能自动显示出节点的结构框图。节点结构框图如图5所示。图5中，深色球表示协调器，浅色球表示路由器，无色球表示终端节点。

图5 节点结构框图

协调器通过串口RS232把接收到的温湿度数据传递给上位机，上位机上就会显示监测到的温湿度数据，每个节点的地址以及它们相应的父节点的地址。温湿度数据显示结果见表1。

表1 温湿度数据显示结果

5 结语

本文构建了一种基于ZigBee技术的温湿度数据采集系统，系统对协调器节点、路由器节点以及终端节点设备的软硬件做了详细说明，采用CC2530作为无线采集模块，采用网状结构进行组网，通过运行系统进行测试，同时能够显示出系统节点的结构图以及实时采集温湿度数据。与传统的传感器采集数据相比，本系统灵敏度高，成本低，功耗小，值得普遍推广。

[1] 姜仲,刘丹.ZigBee技术与实训教程[M].北京：清华大学出版社，2014.

[2] 周铖，王志军.智能网关中基于UPnP的数字媒体服务技术的研究与实现[J]. 新技术新工艺，2015(1)：29-31.

[3] 高守玮,吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学，2009.

[4] 李艳华.基于ZigBee的温湿度监测系统的研究[D].山东：山东师范大学，2013.

[5] 何蕴良,耿淑琴,汪金辉.基于ZigBee无线传感的空气温湿度监测系统设计[J]. 现代电子技术, 2015(18):133-136,140.

[6] 徐建,杨珊珊.基于CC2530的ZigBee协调器节点设计[J].物联网技术，2012(5)：55-57.

[7] 包启明,陈益民,苏保兰.基于ZigBee和3G的远程监测系统的设计[J].计算机测量与控制，2014,22(10):3171-3173.

* 国家自然科学基金资助项目(51278235) 云南省教育厅重大项目(KKJI201507001) 昆明理工大学校级学科平台资助项目(14078202)

责任编辑 郑练

Design of Temperature and Humidity Monitoring System based on ZigBee Wireless Sensing

ZHANG Xiaotao, ZENG Chunping, MA Kun, YE Fei

(Faculty of Science, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China)

Based on the need of modern farming, industrial production, environment and climate monitoring development of information technology, design a temperature and humidity monitoring system based on ZigBee. Three aspects including system architecture, hardware and software are considered in the process of the system design, and ZigBee wireless sensing network is built successfully. There are three kinds of the ZigBee network topology: star network topology structure, mesh network topology structure, and clusters of network topology. The design adopted the mesh network topology is a stable structure, and the CC2530 chip which integrates the low power consumption achieves the real-time monitoring of temperature and humidity as communication module. Compared with the traditional finite network monitoring system, ZigBee wireless sensing network has advantage of simple wiring, low cost, high precision, good expansibility and so on.

ZigBee, wireless monitoring, CC2530, temperature and humidity monitoring, real-time monitoring

S 126；TP 273

A

张晓桃(1993-)，女，硕士研究生，主要从事无线传感网络等方面的研究。

曾春平

2016-06-03