基于ZigBee技术的温湿度数据采集系统设计

摘要：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节点的软件算法，在干扰环境下测试表明，网络具有较强的鲁棒性和自组能力。
关键词：无线传感网；CC2430；ZigBee；数据采集

0 引言
    随着计算机网络技术及无线移动通信技术的迅速发展，各种新的无线网络通信技术不断涌现，如GSM，3G等无线移动通信技术以及蓝牙、WiFi等无线局域网技术，它们越来越被人们所熟悉和应用。然而，这些技术的设备系统非常复杂，且功耗较大、成本很高，不便于在一些低数据速率和通信范围较小的场合使用，例如数据采集系统、智能家居等领域。近年来，无线传感网的出现为这些问题带来了更好的解决方法，其中ZigBee作为一种低复杂度、低功耗、低成本的低速率无线连接技术越来越被人们所重视，开发应用ZigBee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ZigBee的温湿度数据采集系统，利用CC2430通信模块组建小型无线传感器网络，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。

1 ZigBee技术及CC2430简介
1．1 ZigBee技术
    ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率和低成本的无线网络技术。它是介于无线标记技术和蓝牙之间的技术，主要用于近距离无线连接。一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗和最低成本的技术。由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。
1．2 CC2430芯片
    该设计的微处理器使用TI公司的CC2430，它可用于2．4 GHz IEEE 802．15．4／ZigBee的片上系统解决方案。CC2430内部整合了IEEE80 2．15．4标准的2．4 GHz的RF无线电收发机、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051)，有128 KB的可编程闪存和8 KB的RAM，同时还包含ADC、定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器、掉电检测电路等。CC2430芯片采用0．18μm CMOS工艺生产，封装尺寸仅7 mm×7 mm。微处理器全速工作频率为32 MHz，在接收和发射模式下，电流损耗约为27 mA。CC2430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。
 
2 数据采集系统总体架构
    无线传感器网络终端节点主要由数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块组成。数据采集模块负责通过各种类型的传感器采集物理信息；数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、功耗管理以及任务管理等；数据通信模块负责与其他节点进行无线通信，它通过ZigBee无线电波将数据传送到路由节点或主协调器节点，路由节点再将数据转送到主协调器节点或经过上级路由节点转给主协调器节点，主协调器节点通过RS 232串口将所有信息汇集传至PC机或服务器。数据采集系统总体架构图如图1所示。

3 ZigBee节点硬件设计
    本文总体硬件设计是实现针对主协调器节点的设计与开发。主协调器的硬件系统中包括CC2430通信模块、键盘电路模块、串口转USB模块、液晶显示模和电源电路模块等。主协调器节点的主要功能是负责接收和存储传感器节点发送来的消息，并向传感器节点发布网络控制信息，同时与Pc机进行数据交换。其中串口转USB模块负责转换CC2430模块与PC机的通信信号；液晶显示模块负责节点工作状态的指示；电源模块通常采用持续电力供电，为主协调器节点提供运行所需的能量。根据气象采集系统的需求设计硬件结构，并设计各部分电路，包括无线传输模块、CC2430接口模块、复位电路模块、电源电路模块、数据采集模块、扩展电路模块及外围电路。如图2所示为主协调器节点硬件组成图。

    温度传感模块的核心元件为Pt100铂电阻，它是正温度系数热敏电阻传感器，线性较好，在0～100℃之间变化时，最大非线性偏差小于0．5℃。另外，Pt100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。模块框图如图3所示。

    湿度传感模块采用数字集成电路SHT11，其性能特点是：将温湿度传感器、信号放大调理、A／D转换、I2C总线接口全部集成于一块芯片上(CMOSensTM技术)；湿度传感模块框图如图4所示。

4 ZigBee网络软件设计
    传感器网络软件设计的主要任务是无线网络的组网、传感器工作的控制以及数据的采集与收发。传感器节点主要实现数据的采集与定时发送；路由节点实现数据的转发；汇聚节点一方面负责网络配置与管理，包括定义通信信道、网络标识符(PANID)，配置网络的Profile，
响应节点加入网络的请求和绑定请求，为其他节点分配网络地址等。另一方面还接收各传感器节点发来的数据，将其进行汇聚后通过RS 232串口传给PC机终端。
    首先上电初始化整个系统，启动协调器建立一个新的网络，路由节点和传感器节点寻找并加入网络，协调器即可与终端节点进行绑定。绑定完成后传感器节点即可采集数据并发送数据，收集节点负责接收数据，并通过RS 232传至PC显示。图5为协调器和传感器节点的数据采集算法流程图。

    路由节点的流程基本与协调器相似，只是它将接收的信息再转发给协调器。
    经测试，上述算法运行于网络后，网络鲁棒性和自组能力明显增强。

5 结论
    本文基于TI的CC2430芯片和ZigBee协议，设计了温湿度数据采集系统，介绍了硬件设计方法，给出了数据采集软件算法。经多次试验，节点能够准确采集温度和湿度等数据并将数据发送到汇聚节点。在干扰环境下测试表明，该网络具有较强鲁棒性和自组能力。