基于ZigBee技术的智能校园无线温度采集系统

胡 庆，杜小丹，罗正华

（1.成都大学 电子信息工程学院，四川 成都 610106；2.成都大学 现代教育技术中心，四川 成都 610106）

随着无线通信技术的日渐成熟，无线个人局域网（Wireless Personal Area Network，简称 WPAN）的应用越来越广泛[1]，如工业控制、智能家居、智能校园等。无线的方案避免了麻烦复杂的有线布线，提供了更灵活多样化、更便捷简单的接入网方式。在新兴的无线通信技术如WiFi、RFID、ZigBee、蓝牙中，ZigBee以其低功耗、小成本、网络容量大、安全可靠等优点在无线通信领域迅速兴起[2-3]。

文中以智能校园温度采集系统为研究对象，设计并实现了一个基于ZigBee无线网络技术的温度采集系统，该系统包括硬件系统和软件系统两部分，且都采用了模块化设计原则，使各模块之间以一定的通信协议进行通信。与传统方法相比，该温度采集系统具有免布线、维护方便、扩展性好、灵活性好等优点，可广泛应用于学生宿舍区、教师办公区、实验室等的防火安全监控，为智能化校园的部分构建提供一个新的实现方案。

1 ZigBee无线传感器网络

ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4协议标准而产生的低速率无线个域网（Low Rate Wireless Personal Aera Network，简称LR-WPAN）技术，具有低速率、低功耗和低成本等优点。它采用直接序列扩频技术，通信速率为20～250 kbps，特别适合于小数据量的突发信号，并且要求实时传送的工业控制、家庭自动化网络等场合[4]。

ZigBee中的设备分为全功能设备（Full Function Device，简称 FFD）和简化功能设备（Reduced Function Device，简称RFD）。FFD实现了IEEE 802.15.4协议的全集；RFD功能简洁，存储器容量要求最少，其只实现了IEEE 802.15.4完整协议中的一部分[1，5]。一个FFD可以同时与多个RFD或多个FFD通信，而一个RFD同一时间只能和一个FFD进行通信。根据功能不同，可把ZigBee中设备分为协调器（Coordinator）、路由器（Router）、终端设备（End-Device）。 其中协调器和路由器均为全功能设备，而终端设备采用简化功能设备[2-3]。

ZigBee网络的拓扑结构有星型、串状、网状、对等（也称Ad-hoc）等连接。ZigBee的自组织和自愈网络结构允许数据和控制消息通过多条路径传输，这一特性扩展了网络的范围并提高了数据的可靠性[2-3]。

本设计的ZigBee无线传感器网络采用星型连接，由一个协调器、若干路由器和若干终端设备构成，系统基本设计结构如图1所示。

图1 系统基本设计结构Fig.1 Basic design structure of the system

2 智能校园无线温度采集系统

2.1 系统的硬件电路设计

本系统硬件电路设计采用模块化原则，主要包括无线通信模块和传感器模块。

通信模块中，采用CC2430芯片作为无线通信模块的主控芯片，辅助外围电路，用于实现与系统其他模块的通信。CC2430采用IEEE 802.15.4标准，使用全球公用的公共频率2.4 GHz[6]。该芯片支持无线收发，具有很高的集成度，体积小，功耗低。单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。

传感器模块的设计中，采用STC90LE58AD40I作为主控芯片，其用来收集各类传感器的数据。整机电路设计参考Chipcon公司 （已在2006年被美国德州仪器TI公司收购）和成都无线龙公司应用方案，如图2所示[5，7]。

图2 整机电路Fig.2 The circuits

2.2 系统的软件设计

本系统软件设计也采用模块化的设计原则，由传感器模块、终端节点、控制中心几部分程序构成。系统的软件开发基于TI／Chipcon公司免费提供的ZigBee2006协议栈，在IAR Embedded Workbench集成开发环境中进行编译。

传感器模块完成温度数据的采集和存储，并把数据发送给ZigBee终端节点。传感器模块的程序编译在keil上进行，流程图如图3所示。可以定义一个数组Sense Data来存放采集的数据。由于温度传感器属于模拟信号输出型，而单片机只能对数字信号进行处理，因此使用函数Get_Adc_Result，通过ADC把模拟信号量化成数字信息。采集信息完成后，使用串口把数据发送到终端接点，通过调用函数SendData实现发送数据串功能。

图3 传感器模块程序流程图Fig.3 The flow program of Sensor module

终端节点采用串口通信方式接收传感器模块发送来的数据，接收完成之后，再把这些数据通过ZigBee网络转发给控制中心。终端节点的软件设计流程如图4所示。在Z-Stack协议栈中，应用层通过调用AF DataRequest函数来实现。

图4 终端节点程序流程图Fig.4 Flow program of the End-device

控制中心即网络中的协调器。其功能主要是建立ZigBee网络，数据的接收和转发以及和管理中心（PC机）通过串口进行通信。其流程图如图5所示。协调器的软件设计中包括两部分：通过ZigBee网络接收终端节点发来的信息、通过串口把这些信息发送给PC机。

2.3 系统调试结果

终端设备将采集到的温度境数据经路由器选择路径，由ZigBee无线网络发送到协调器，并显示出来，如图6所示。

3 结束语

图5 协调器程序流程图Fig.5 Flow program of the coordinator

图6 协调器显示温度信息实物图Fig.6 Real figure of the temperature informationdisplayed by the coordinator

本设计以CC2430和STC90LE58AD40I为核心，采用DS18B20温度传感器获取数据，基于低功耗、大容量的ZigBee无线自组织自愈网络实现无线数据传送，测量的数据准确、实时性强且成本低廉，特别适用于构建智能校园中学生宿舍、教师办公区、实验区等公共场所的防火安全系统。

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

[2]李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3]蒋挺，赵成林.ZigBee紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[4]昂志敏，金海红，范之国，等.基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计与通信实现 [J].现代电子技术，2007，30（10）：47-49.ANG Zhi-min，JIN Hai-hong，FAN 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]成都无线龙通讯科技有限公司.ZigBee开发平台应用说明[S].成都：成都无线龙通讯科技有限公司，2010.

[6]马永强，李静强，冯立营.基于ZigBee技术的射频芯片CC2430[J].单片机与嵌入式系统应用，2006（3）:45-47.MA Yong-qiang，LI Jing-qiang，FENG 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.