熊萬(wàn)

摘要：隨著科技的發(fā)展，無(wú)線通訊技術(shù)逐漸應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，ZigBee技術(shù)便是一種較新的技術(shù)，應(yīng)用于短距離的無(wú)線通信。

關(guān)鍵詞：zigbee；CC2530；智能監(jiān)控；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

引言

如今的社會(huì)正在逐步的走向智能化，不論是在工業(yè)方面還是在家庭設(shè)備上。同時(shí)在生產(chǎn)和生活方面一些外界的因素也起著決定性的因素，例如溫度，濕度，光照強(qiáng)度以及氣體濃度等都起著主導(dǎo)地位。因此就需要在這方面安裝檢測(cè)設(shè)備來(lái)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并且能在指標(biāo)超出規(guī)定的范圍時(shí)進(jìn)行報(bào)警并作出相應(yīng)的處理。由于需要檢測(cè)的點(diǎn)很多，如果用傳統(tǒng)的有線傳輸不僅費(fèi)用很高，而且也不易安裝和維護(hù)。因此我們可以用ZigBee實(shí)現(xiàn)這一監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其成本低廉，適用于短距離傳輸且準(zhǔn)確精度高。

一、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，設(shè)計(jì)出了具有1個(gè)協(xié)調(diào)器（中心控制節(jié)點(diǎn)）和3個(gè)

終端節(jié)點(diǎn)（傳感器節(jié)點(diǎn)）的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)系統(tǒng)由PC機(jī)、協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)組成。

PC機(jī)通過(guò)RS232與協(xié)調(diào)器進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的交換，其中協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心。傳感器節(jié)點(diǎn)所獲得的數(shù)據(jù)均發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后由協(xié)調(diào)器發(fā)送給PC機(jī)。同樣PC機(jī)下達(dá)的指令也是通過(guò)串口先發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后在有協(xié)調(diào)器發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）、主控制器CC2530簡(jiǎn)介

CC2530單片機(jī)是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時(shí)支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無(wú)線射頻單片機(jī)。內(nèi)部具有8KB的RAM，32-、64-或128-KB 的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存且支持硬件調(diào)試。其還擁有強(qiáng)大的5通道DMA，1個(gè)16位定時(shí)器，2個(gè)8位的定時(shí)器，1個(gè)MAC定時(shí)器專為MAC或其他協(xié)議而設(shè)的定時(shí)器，可以跟蹤已過(guò)周期，同時(shí)可以記錄收發(fā)某一的幀精確時(shí)間和傳輸結(jié)束時(shí)間，以便產(chǎn)生不同的選通命令到無(wú)線模塊。還具有8路輸入和可配置分辨率的12位ADC，2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART，21個(gè)通用I/O引腳。并且CC2530用128位的AES算法進(jìn)行加密或解密數(shù)據(jù)，從而保證了ZigBee網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的安全要求，保證了通信的安全性能。

（二）、協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)在硬件電路設(shè)計(jì)上是一樣的，我們通過(guò)不同程序來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與終端不同的功能，具體是如何實(shí)現(xiàn)的我們將在下一節(jié)進(jìn)行講解。由于CC2530芯片內(nèi)部已經(jīng)具有了CPU和內(nèi)存相關(guān)模塊，外設(shè)、時(shí)鐘和電源管理相關(guān)模塊以及無(wú)線信號(hào)收發(fā)相關(guān)模塊，因此我們只需要很少的外接元器件并可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信。

（三）、傳感器的選擇

溫度傳感器采用DS18B20，具有體積小，硬件開(kāi)銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。

獨(dú)特的單線接口方式，在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。測(cè)溫范圍-55℃～+125℃，固有測(cè)溫誤差1℃，并且在使用中不需要任何外圍元件。

濕度傳感器采用DHT11濕度傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保其具有極高的可靠性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性，其測(cè)量濕度的范圍在20-90%RH，且測(cè)量的精度在±5%RH。

人體紅外傳感器采用HC-SR501，采用LHI778探頭設(shè)計(jì)，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于各類設(shè)備，低功耗，適用于干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品。

最后的照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則是通過(guò)繼電器來(lái)對(duì)臺(tái)燈進(jìn)行控制，通過(guò)控制繼電器的通斷電來(lái)對(duì)臺(tái)燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)的控制。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）、ZigBee協(xié)議棧簡(jiǎn)介

在訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)候，首先在硬件上需要具有網(wǎng)卡，在軟件上則通過(guò)TCP/IP協(xié)議來(lái)進(jìn)行通信。同樣的道理，運(yùn)用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的時(shí)候，在硬件上用到的是支持ZigBee底層協(xié)議的芯片CC2530，在軟件上用到的是ZigBee協(xié)議棧。所謂的協(xié)議就是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，通信雙方需要共同按照這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)的收發(fā)；而協(xié)議棧則是協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式，通俗的理解為用代碼實(shí)現(xiàn)函數(shù)庫(kù)。

（二）、協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

這里使用的是ZigBee 2007協(xié)議棧，并且在IAR For MCS-51的環(huán)境中采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。協(xié)調(diào)器在上電后，先進(jìn)行板載硬件以及協(xié)議棧的初始化，然后調(diào)用OSAL_start_system（ ）函數(shù)開(kāi)始運(yùn)行操作系統(tǒng)，由于協(xié)調(diào)器需要建立ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的功能，因此調(diào)用ZDO_startDevice（ ）函數(shù)組建Z igBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)組建完成后向用戶發(fā)送ZDO狀態(tài)改變事件消息ZDO_STSTE_CHANGE，接著系統(tǒng)就進(jìn)入用戶處理函數(shù)App_ProcessEvent（ ）對(duì)此事件進(jìn)行處理，處理完畢后再跳到OSAL_start_system（ ）函數(shù)中等待事件的發(fā)生。當(dāng)PC機(jī)通過(guò)串口給協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生CMD_SERIAL_MSG事件，接著進(jìn)入對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)中。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器時(shí)，AF_INCOMING_MSG_CMD事件就會(huì)被觸發(fā)。

（三）、終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)在上電后，先進(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)的初始化，隨后搜索附近是否擁有協(xié)調(diào)器組建好的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如果擁有則會(huì)發(fā)送消息要求加入其網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)成功的加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)以后會(huì)獲得一個(gè)在該網(wǎng)絡(luò)中16位短地址，該短地址在此協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。協(xié)調(diào)器通過(guò)該短地址可以區(qū)分出不同的終端節(jié)點(diǎn)，并且可以通過(guò)短地址與終端節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。

（四）、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件的主要功能是與位于監(jiān)控室中的中心控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS- 232串行口進(jìn)行通信，從而接收傳感器節(jié)點(diǎn)的信息。另外，上位機(jī)軟件還要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、傳感器信息接收、數(shù)據(jù)處理與分析和數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能。

四、系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)的3個(gè)不同的地方分別對(duì)周圍環(huán)境中的溫度、濕度、周圍是否有人以及對(duì)照明系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明該系統(tǒng)完全可以對(duì)這些因素進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)返回給上位機(jī)的數(shù)據(jù)來(lái)看，數(shù)據(jù)也都是實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確無(wú)誤的上傳上來(lái)。而且具有接線簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度高的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

五、結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于ZigBee的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)無(wú)線的方式對(duì)不同地點(diǎn)的周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集并通過(guò)PC機(jī)準(zhǔn)確的將信息顯示出來(lái)。其結(jié)果表明ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測(cè)控系統(tǒng)，具有可靠性高、抗干擾性好、功耗小和成本低的特點(diǎn)，能夠滿足監(jiān)控系統(tǒng)的需要。

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