胡 慶，杜小丹，羅正華

（1.成都大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610106；2.成都大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，四川 成都 610106）

隨著無線通信技術(shù)的日漸成熟，無線個人局域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network，簡稱 WPAN）的應(yīng)用越來越廣泛[1]，如工業(yè)控制、智能家居、智能校園等。無線的方案避免了麻煩復(fù)雜的有線布線，提供了更靈活多樣化、更便捷簡單的接入網(wǎng)方式。在新興的無線通信技術(shù)如WiFi、RFID、ZigBee、藍牙中，ZigBee以其低功耗、小成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠等優(yōu)點在無線通信領(lǐng)域迅速興起[2-3]。

文中以智能校園溫度采集系統(tǒng)為研究對象，設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，且都采用了模塊化設(shè)計原則，使各模塊之間以一定的通信協(xié)議進行通信。與傳統(tǒng)方法相比，該溫度采集系統(tǒng)具有免布線、維護方便、擴展性好、靈活性好等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于學(xué)生宿舍區(qū)、教師辦公區(qū)、實驗室等的防火安全監(jiān)控，為智能化校園的部分構(gòu)建提供一個新的實現(xiàn)方案。

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議標準而產(chǎn)生的低速率無線個域網(wǎng)（Low Rate Wireless Personal Aera Network，簡稱LR-WPAN）技術(shù)，具有低速率、低功耗和低成本等優(yōu)點。它采用直接序列擴頻技術(shù)，通信速率為20～250 kbps，特別適合于小數(shù)據(jù)量的突發(fā)信號，并且要求實時傳送的工業(yè)控制、家庭自動化網(wǎng)絡(luò)等場合[4]。

ZigBee中的設(shè)備分為全功能設(shè)備（Full Function Device，簡稱 FFD）和簡化功能設(shè)備（Reduced Function Device，簡稱RFD）。FFD實現(xiàn)了IEEE 802.15.4協(xié)議的全集；RFD功能簡潔，存儲器容量要求最少，其只實現(xiàn)了IEEE 802.15.4完整協(xié)議中的一部分[1，5]。一個FFD可以同時與多個RFD或多個FFD通信，而一個RFD同一時間只能和一個FFD進行通信。根據(jù)功能不同，可把ZigBee中設(shè)備分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）、終端設(shè)備（End-Device）。 其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備，而終端設(shè)備采用簡化功能設(shè)備[2-3]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)有星型、串狀、網(wǎng)狀、對等（也稱Ad-hoc）等連接。ZigBee的自組織和自愈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)允許數(shù)據(jù)和控制消息通過多條路徑傳輸，這一特性擴展了網(wǎng)絡(luò)的范圍并提高了數(shù)據(jù)的可靠性[2-3]。

本設(shè)計的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星型連接，由一個協(xié)調(diào)器、若干路由器和若干終端設(shè)備構(gòu)成，系統(tǒng)基本設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)基本設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic design structure of the system

2 智能校園無線溫度采集系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計采用模塊化原則，主要包括無線通信模塊和傳感器模塊。

通信模塊中，采用CC2430芯片作為無線通信模塊的主控芯片，輔助外圍電路，用于實現(xiàn)與系統(tǒng)其他模塊的通信。CC2430采用IEEE 802.15.4標準，使用全球公用的公共頻率2.4 GHz[6]。該芯片支持無線收發(fā)，具有很高的集成度，體積小，功耗低。單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。

傳感器模塊的設(shè)計中，采用STC90LE58AD40I作為主控芯片，其用來收集各類傳感器的數(shù)據(jù)。整機電路設(shè)計參考Chipcon公司 （已在2006年被美國德州儀器TI公司收購）和成都無線龍公司應(yīng)用方案，如圖2所示[5，7]。

圖2 整機電路Fig.2 The circuits

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計也采用模塊化的設(shè)計原則，由傳感器模塊、終端節(jié)點、控制中心幾部分程序構(gòu)成。系統(tǒng)的軟件開發(fā)基于TI／Chipcon公司免費提供的ZigBee2006協(xié)議棧，在IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境中進行編譯。

傳感器模塊完成溫度數(shù)據(jù)的采集和存儲，并把數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee終端節(jié)點。傳感器模塊的程序編譯在keil上進行，流程圖如圖3所示?？梢远x一個數(shù)組Sense Data來存放采集的數(shù)據(jù)。由于溫度傳感器屬于模擬信號輸出型，而單片機只能對數(shù)字信號進行處理，因此使用函數(shù)Get_Adc_Result，通過ADC把模擬信號量化成數(shù)字信息。采集信息完成后，使用串口把數(shù)據(jù)發(fā)送到終端接點，通過調(diào)用函數(shù)SendData實現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)串功能。

圖3 傳感器模塊程序流程圖Fig.3 The flow program of Sensor module

終端節(jié)點采用串口通信方式接收傳感器模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，接收完成之后，再把這些數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給控制中心。終端節(jié)點的軟件設(shè)計流程如圖4所示。在Z-Stack協(xié)議棧中，應(yīng)用層通過調(diào)用AF DataRequest函數(shù)來實現(xiàn)。

圖4 終端節(jié)點程序流程圖Fig.4 Flow program of the End-device

控制中心即網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器。其功能主要是建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)以及和管理中心（PC機）通過串口進行通信。其流程圖如圖5所示。協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計中包括兩部分：通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收終端節(jié)點發(fā)來的信息、通過串口把這些信息發(fā)送給PC機。

2.3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

終端設(shè)備將采集到的溫度境數(shù)據(jù)經(jīng)路由器選擇路徑，由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，并顯示出來，如圖6所示。

3 結(jié)束語

圖5 協(xié)調(diào)器程序流程圖Fig.5 Flow program of the coordinator

圖6 協(xié)調(diào)器顯示溫度信息實物圖Fig.6 Real figure of the temperature informationdisplayed by the coordinator

本設(shè)計以CC2430和STC90LE58AD40I為核心，采用DS18B20溫度傳感器獲取數(shù)據(jù)，基于低功耗、大容量的ZigBee無線自組織自愈網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳送，測量的數(shù)據(jù)準確、實時性強且成本低廉，特別適用于構(gòu)建智能校園中學(xué)生宿舍、教師辦公區(qū)、實驗區(qū)等公共場所的防火安全系統(tǒng)。

[1]ZigBee Alliance， Inc.ZigBee Specification，053474r17[R].ZigBEE Alliance，Inc，2007

[2]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]蔣挺，趙成林.ZigBee紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

[4]昂志敏，金海紅，范之國，等.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計與通信實現(xiàn) [J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（10）：47-49.ANG Zhi-min，JIN Hai-hong，F(xiàn)AN Zhi-guo，et al.The design and communications implementation of the nodes in Wireless Sensor Network based on ZigBee[J].Modern Electronic Techniques，2007，30（10）：47-49.

[5]成都無線龍通訊科技有限公司.ZigBee開發(fā)平臺應(yīng)用說明[S].成都：成都無線龍通訊科技有限公司，2010.

[6]馬永強，李靜強，馮立營.基于ZigBee技術(shù)的射頻芯片CC2430[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（3）:45-47.MA Yong-qiang，LI Jing-qiang，F(xiàn)ENG Li-ying.The radio frequency chip CC2430 based on ZigBee technology[J].The application of Single-chip Microcomputer and Embedded System，2006（3）:45-47.

[7]Texas Instruments.CC2430 A True System-on-Chip solution of 2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigbBee[EB/OL].（2010）[2011]http://www.ti.com/lit/ds/sym link/cc2430.pdf.2011/2010.