建东学院图书馆无线温度测量系统设计

宋昆

【摘 要】针对建东学院图书馆对馆藏温度的要求，利用Zigbee无线传感网络低成本、低能耗的特性，以TI的CC2530芯片为硬件核心，移植Z-Stack协议栈，设计了利用温度传感器完成对图书馆环境温度信息的采集，并将这些信息传送到控制室中心的测量系统。

【关键词】Zigbee；无线传感网络；Z-Stack；温度测量

图书馆工作经验证明，保护图书的较适宜的温度为14～24℃，相对湿度为50%—65%。因而图书馆温湿度的监控是实现纸质文献完好储藏的关键环节，普遍的方法是使用各种温湿度计。在这些情况下，多采用有线连接方式采集信号及传输数据，这虽然满足了目的，但存在电缆布线、后期维护成本高、应用不灵活等一些问题。本文主要针对温度测量设计了一种基于Zigbee无线传感网络的温度无线数据采集系统，设置方便，不需布线即可采集数据，成本低，克服了有线网络存在的缺点。

1 Zigbee技术

Zigbee技术是一种低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、短距离的双向无线网络通信技术。采用免注册频段，即无须得到许可便可使用的工业、科学、医疗频段，以便于用户能够自由试用Zigbee设备。目前Zigbee定义了2.4GHz频段和868/915MHz频段，其中2.4GHz在全球通用。在硬件方面，TI、Jennic、Freescale等各大芯片公司均推出无线收发芯片和单片机射频芯片集成在一起的SOC。其中TI公司的CC2430和CC2530集成SOC方案尤为成熟，应用最为广泛。在软件方面，许多公司如TI、Ember、AirBee、Freescale等提供了Zigbee协议栈，其中最适用的是TI设计的Z-Stack协议栈，提供了完全开源的技术解决方案。

Zigbee协议中规定三种设备，分为协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端节点（EndDevice）。其中协调器发起网络，等待路由及终端节点的加入，终端节点只能作为采集及接收数据的子节点加入网络，不具备数据转发能力。路由节点的可以转发数据。协议支持的网络结构有星状、树状和Mesh网络。

2 系统总体设计方案

基于zigbee技术的图书馆温度监测系统总体结构如图1所示，该系统采用星型拓扑结构，主要由传感器节点、协调器节点和上位机PC等三部分组成。传感器节点有两种，一种功能为现场的温度采集，并将采集到的温度信息定时打包发送至协调器节点；还有一种是接收协调器传来的温度控制信息控制报警器或者风扇等控温设备工作。协调器节点负责整个监测网络的建立与维护，接收传感节点的温度数据并反馈到上位机PC。上位机PC主要显示整个系统的运行情况及各区域温度的实时数据。另外，协调器节点判断接收到的温度信息，如果温度超出限值，发送控制命令给带有继电器的节点，控制继电器工作。

3 系统硬件组成

本设计采用网蜂科技公司设计的Zigbee开发套件，其中的主控芯片是TI公司的CC2530。CC2530除了包括RF收发器外，还集成了加强型8051单片机、它具有2/64/128/256kB可编程闪存和8kB的RAM，以及ADC、看门狗等。CC2530可工作在2.4GHz频段，采用低电压（2.0～3.6V）供电，待机时电流消耗仅0.2μA，但灵敏度高达-91dBm、最大输出为+0.6dBm、最大传送速率为250kbps。CC2530仅需添加少量的外围元件就可以完成ZIGBEE通信功能的硬件实现。

本系统由两类节点组成：ZigBee协调器节点、传感器节点。所有节点的基本功能单元是处理器模块，射频模块和电源模块等三个部分，这个利用网蜂科技的CC2530核心板及功能底板组合构成。传感器节点除基本功能单元外还有传感器功能模块。

温度传感器模块采用的是DS18B20。继电器模块采用的是SONGLE的SRS-05VDC-SL的继电器。

4 软件系统设计

程序设计是基于TI公司公布的协议栈ZStack，本设计采用的是ZStack-CC2530-2.4.0版本。用户根据实际需要，在创建协调器和终端节点项目时在App用户应用层创建源文件编写程序。其余功能要求由ZStack完成。

系统软件设计主要包括两种传感器节点软件设计、协调器节点软件设计。温度传感器节点主要实现温度数据的采集和发送；继电器节点主要实现接收协调器数据并控制端口输出；协调器节点既要负责网络的管理和维护，也要做为中转站传送传感器节点与上位机之间的通信数据。

4.1 温度传感器模块

温度传感器节点只与协调器通信，可以采用点对点通信模式。在程序中需要设置点对点通信。而协调器和所有的温度控制模块之间采用广播形式。协调器与计算机之间采用串口通信，在CC2530模块中有串口功能，在程序中需要添加MT头文件，并在初始化程序中调用串口登记任务号。

温度传感器模块的CC2530从18B20温度传感器上获得温度信息。采集的结果调用发送函数以点播形式发送给协调器。

4.2 温度报警控制模块

温度控制器模块的CC2530从协调器模块上获得控制信息，并根据控制信息控制继电器的通断。ZStack的App用户应用层应用进程事件函数中，当模块收到无线信息，调用信息处理函数SampleApp_MessageMSGCB。根据提取的信息内容，判断是否出现温度超限情况。如果出现超限，启动报警控制电路继电器，接通报警电路。

4.3 协调器模块

本设计中协调器主要功能有三个：首先，是建立一个Zigbee无线网络，发送信标，应答此网络中发送端各个发送节点加入网络的请求，并为每个分支节点分配一个在此网络中唯一的16bit的短地址（ShortAddress）；其次，是Zigbee无线网络组成之后，发送端的各个发送节点便定时的通过Zigbee无线局域网络向接收端发送温度数据，协调器便接收这些数据，并将各个发送节点每次发送来的温度数据连同其已经分配的唯一的短地址串口传输到PC机中；最后，是当温度超过设定的限值时，向温度控制模块发送控制信息。本项目设计的温度范围是16℃～30℃。

5 系统调试

本测试采用星型架构，有一个协调器和三个终端组成。温度传感器终端采集温度信息发送给协调器，协调器再通过串口将信息发送给PC机上。协调器在温度超限时给继电器温度控制终端发送控制信息。控制终端继电器动作。为了在实际应用环境下测量，我们将各模块放到学院图书馆中进行功能测试。

让协调器加电，组成网络，然后依次给其余三个节点加电，让它们加入先前组成的网络中。协调器节点通过串口线和笔记本相连。如果传感器模块接入协调器网络时，协调器分配16位短地址给传感器节点。两个温度传感器节点加入网络，短地址代码为0x55ED和0xA860。

由于温度节点2靠近图书馆窗户，接收阳光照射，节点温度有比较明显的升温。当温度超过30度时，控制节点的继电器动作，蜂鸣器鸣叫报警。

在图书馆中，由于书架的影响，zigbee节点的无线通信距离只有10m。为了提高通信距离，测试时特地将所有节点置于书架上方。通过实际测量，在学院图书馆最远的两个书架上，温度传感器节点可以和协调器节点通信，通信距离达40m。

6 结束语

经过实地测试，系统软硬件均工作正常，实现了需求中的绝大部分功能。测试中，温度传感器采集的是室温，所测得的温度值与室温基本一致。上位机也顺利接收温度数据。温度控制模块能正常工作。当然，本系统还有待改进扩展的地方，例如环境湿度信息采集，超限信息GSM/GPRS远程报警等。另外由于图书馆面积较大，测温节点分散布局，实际使用中还需要考虑路由节点。

【参考文献】

[1]高守玮，吴灿阳.zigbee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[2]王小强，欧阳骏，黄宁淋.zigbee无线传感器网络设计与实现[M].北京：化学工业出版社，2012.

[3]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.

[责任编辑：王楠]