ZigBee无线温度传感网络设计

0 引言

随着信息化时代的到来，ZigBee无线模块广泛应用在军事、智能家居、医疗监护环境监测和远程工业控制领域。事实证明，无论是工厂、办公楼还是家居都需要无线传感网络的支持。为了满足社会对无线传感器技术的需求，出现了多种短距离的无线通信技术，如Bluetooth和红外技术等。这些技术确实给我们的工作和生活带来方便。但是对于远程监控系统、家居智能控制和工业自动化控制领域来，这些技术难以满足人们的需求, ZigBee数传技术的出现带来了革命性的变革。

由于使用成本低，技术难度小，ZigBee数传模块被广泛地应用工业远程控制和智能家居领域。无线传感器网络不需要太高的传输带宽，其极低的功率消耗使得无线传感器网络设备的工作寿命更长。

1 无线传感网的构成

ZigBee无线模块无线传感网（RSN）配备了三种类型的节点：传感器节点（sensor node）、汇聚节点（syntaxesnode）和管理节点（management node）。将许多的带有射频功能的节点任意地分布在被监控区域之内，然后自动地组建一个无线网络。当数据经过节点的预处理后，再传输到其它的节点，然后再转到汇聚节点，最后到达管理节点。

图1 无线传感网（RSN）组成

该传感器节点既可以作为终端设备也可作为当路由设备，汇聚节点相对其它节点来说具有更强的功能，它能够转换协议使得管理节点和传感器网络实现通信，并且保证了管理节点发布一些控制命令的功能。

RSN的基本组成单元是无线传感器网络节点，它一般包括ZigBee数据采集和处理模块、传输模块、供电模块和其它的组件，如图2所示。

图2 无线传感器网络节点结构

主要包括：

（1）ZigBee数据采集模块：包括传感器和AD转换模块，主要用于获取数据信息

（2） 数据存储模块：包括处理器单元和存储器，进行数据的存储转发工作。

    （3）数据传输模块：ZigBee无线模块，主要是和其它节点交换数据。

    （4）电源模块：采用普通5号电池。

    （5）辅助模块：一些用户自定义的系统。

2 系统软硬件设计与实现

本文基于ZigBee数传模块设计的的无线温度传感网络系统实现了温度传感器的无线信号传输与控制，具有低功耗、安装维护方便等有点。它还可以和其它的通信技术（如GSM/GPRS）以及其它传感器结合起来，实现对监测区域的远程监控。

（1）网络结构

本系统采用星型网络结构，主要包括了三个部分，分别是：一个协调器、三个终端节点和上位PC机。终端节点上加上DS18B20和蜂鸣器，将终端放置于监测区域的不同位置，通过DS18B20进行ZigBee数据采集并存储外部的温度，当温度超过或低于某一温度限度时则发出报警；协调器负责搜索并组建Zigbee数传网络，同时完成传感终端与上位PC机间的数据传输；PC机负责显示接收到的温度数据并绘制出平均温度的实时变化曲线图。

（2）系统实现过程描述

中心板上电后，首先自启动为协调器，搜索信道组建网络成功后，自动进入允许绑定状态的自启动模式。在该模式下，LED状态指示节点中的LED1和LED3长亮，LED2闪烁几秒变暗，指示设备已被配置成成协调器并自动处于允许绑定状态。终端节点上电后自动发送加入网络的请求，它会试图发现一个合适的协调器并且将自己和协调器绑定起来，在本系统中，采用星型网络拓扑结构只存在一个协调器，因而终端节点能够自动加入网络并和协调器建立绑定，此时它的LED状态指示节点中的LED1和LED2会快速闪烁。绑定成功建立后，终端设备会根据程序中设定的发送报告周期时间周期性地将采集到的温度数据发送给协调器，此时协调器的LED状态指示节点中的LED2会慢速闪烁。

（3）系统硬件总体设计

主协调器的硬件系统包括了供电模块、LCD显示人机交互模块、LED节点状态指示模块、串口转USB模块、仿真器模块。主协调器的硬件整体系统设计框架如图3所示。

图3 主协调器硬件设计框图

其中，仿真器模块主要用来将程序下载到硬件板中；CC2530通信模块负责接收和存储数据，并向传感器节点传输控制信息，并且负责与PC机进行数据交换；LCD显示模块和PC上位机负责显示传感节点发送的温度数据，方便进行人机交互；LED节点状态显示模块用来指示节点的工作状态，方便系统的测试和使用；串口模块负责转换CC2530模块和PC机之间的通讯信号。本系统中采用USB供电方式进行供电。

（4）传感器节点设计

传感器节点硬件系统包括供电模块、温度测量传感器模块、蜂鸣器报警模块、LED节点状态指示模块和CC2530通信模块。传感器节点硬件整体系统设计实现框架如图4所示。

图4 传感器节点硬件结构示意图

温度测量传感器采用DS18B20，负责采集监测区域内的温度数据；蜂鸣器报警模块负责当温度数据超过或低于限定值时发出报警信号；LED节点状态显示模块用来指示节点的工作状态，方便进行系统的测试和使用。

（5）供电电路的设计

本系统中为了保证电压的稳定性和测试方便采用了USB供电的方式，通过AMS1117-3.3V将5V的电压降压成3.3V供电路使用。

    传感器终端节点采用用微型电池进行供电，由于系统的功耗极低，因而电池供电可持续6个月-2年，本系统采用了两节5号电池，其供电电路较为简单。

（6）协调器液晶显示电路的设计采用ZLE 12864A 的点阵图形液晶显示模块，采用串口控制方式，液晶显示电路如图5所示：

图5 液晶显示电路图

（7）协调器串口电路的设计

上位PC机通过串口电路对从协调器传送来的温度数据进行实时显示并绘制变化曲线。系统通过MAX3232来实现电平的转换，该器件支持小电压工作，工作电压可在3-5V，外围器件少且工作可靠，被广泛地用于RS232通信标准的收发信号转换。串口电路图如图6所示：

图6 串口电路图

（8）协调器仿真器模块的设计

本系统的仿真器采用高性价比的smartrf04EB，smartrf04EB具有方便使用容易上手等特点，具有较稳定的仿真性能。其硬件电路如图7所示：

图7 仿真器连接电路图

3 测试结果

经过测试，ZigBee无线模块温度传感网络在室内进行通信时，有效距离为 70m 左右，在空旷地域测试时有效通信距离为 350m 左右，运行稳定。经过以上的整体测试，系统基本达到了预订的设计目标，并且具有一定的可扩展性，只要在软件和硬件上进行相应的改动就可以增加传感器的种类和数量，同时还可以加上路由节点来扩大通信的范围，可以实现对多种环境参量的实时监测，具有较大的发展前景。

4 结论

以射频芯片CC2530和DS18B20为核心，设计实现了基于ZigBee数传模块的温度传感网络的硬件和软件部分。基于ZigBee设计的无线温度传感网络具有很多优点，特别适用于工业化监测和需要进行大范围布置ZigBee数据采集的应用场合， 具有很强的实用价值。

    CC2530外围电路较简单，控制方便，并且传输距离较远，适合用于ZigBee组网的应用。