基于ZigBee的建筑温/湿度监测及组网的设计

季延清, 董飞翔

(长安大学 电子与控制工程学院, 陕西 西安 710064)



基于ZigBee的建筑温/湿度监测及组网的设计

季延清, 董飞翔

(长安大学 电子与控制工程学院, 陕西 西安 710064)

介绍了基于ZigBee技术的建筑温/湿度监测及组网的设计,详细分析了系统总体设计方案、硬件设计方案及软件设计方案。传感器将建筑物内的温度、湿度采集到终端模块中,通过无线模块传输到协调器中,实现控制器系统对温/湿度的采集、处理、发送等功能,提高了工作效率。

无线传感器网络; ZigBee技术; 硬件设计; 软件设计

季延清(1990—),男,研究方向为建筑电气智能化。

0 引 言

ZigBee技术是基于小型无线网络而开发的通信协议标准,弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,在智能家居和商业楼宇自动化方面有较大的应用前景[1]。

本文针对小范围室内工作环境的温/湿度实时监测需求,采用基于ZigBee协议的无线传感器网络技术和相应的数字式温/湿度传感器，构建了采集温/湿度信息的设计平台,并据此设计了相应的拓扑结构和软件。

1 系统总体设计方案

1.1 硬件方案设计

1.1.1 控制器系统结构设计

针对大型建筑物室内温/湿度检测，设计了无线温/湿度传感节点,并进行组网设计,要求硬件稳定、可靠,实时性好，软件模块化,易于维护。控制器需要对大型建筑物内温/湿度进行检测,并进行组网。因此,需要一种强大的微控制器(Micro Controller Unit,MCU)和无线收发模块。采用温/湿度传感器将建筑物内的温/湿度采集到终端模块中,通过无线模块将采集到的数据传到协调器中,再通过串口助手在计算机上显示,实现控制器系统对温/湿度的采集、处理、发送等功能,提高了工作效率。

网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强,其连接传感器网络与Intemet等外部网络,实现两种协议栈之间的通信协议转换,同时发布管理节点的监测任务,并把收集的数据转发到外部网络上。路由节点既可以是具有增强功能的传感器节点,有足够的能量供给和更多的内存与计算资源,也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备[2-3]。

2.1.2 主控芯片选型

采用片上系统(System On Chip,SOC)可以节省系统成本,提高系统性能。ZigBee SOC解决方案就是将射频收发器与MCU集成在一块芯片上,其开发难度远小于使用两块独立芯片的解决方案。CC2530是高效的SOC CMOS解决方案,结合了包括射频2.4 GHz收发器和符合IEEE 802-1 5-4协议的CC2530射频芯片以及8051微处理器。TI公司为其提供了完整的开发和调试环境,方便用户研发符合需要的ZigBee无线产品。

2.1.3 温/湿度传感器选型

DHT11数字温/湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温/湿度复合传感器,应用专用的数字模块采集技术和温/湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性和长期稳定性。每个DHT11传感器都在极精确的湿度校验室中进行校准,校准系数以程序的形式存于OTP内存中,在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口使系统集成变得简易、快捷。

2.2 控制器软件方案设计

采取模块化编程的原则,将每个功能模块写成功能库文件,然后在主程序中调用各个库中的函数，实现所需的功能。在模块程序的编写中尽可能将与硬件相关的寄存器、地址等通过宏定义封装成易读懂的形式,同时简化每个完整功能块的使用。各个库中与硬件相关的配置放在相应的头文件中,降低了代码重复使用的难度,只需对头文件作相应的修改,即可用于不同的MCU。

ZigBee协议的层与层之间通过原语进行信息的交换和应答。大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口。数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务,管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、 配置和管理数据的机制。

3 系统硬件设计

3.1 系统硬件

系统是由无线传感器节点和网络协调器组成的网状无线网络。采用ZigBee协议实现设备的无线通信,传感器节点负责现场温/湿度数据的采集,将采集到数据发送给路由器节点,路由器节点根据路由算法选择最佳通信路径,通过其他的节点以多跳的方式将数据传送给协调器,协调器通过串口USB和计算机相连,收集整个网络中的数据,并向传感器节点发送命令和参数设置,实现与终端设备节点的通信。监控人员无须到达现场,在监控室通过计算机就可以对建筑物内的温/湿度进行检测[4-5]。

无线传感器节点由数据采集、 数据处理、 无线通信和能量供应4个模块组成。无线传感器节点结构如图1所示。

图1 无线传感器节点

3.2 主控芯片最小系统设计

节点是无线传感器网络的基本单元,是实现无线传感器网络功能的基本平台。在设计中，节点分为中心节点和一般节点两种类型。

中心节点由无线传输模块、微处理器、串口、电源组成,接收周围一般节点发来的数据，将数据传给计算机。根据计算机发来的控制指令,对一般节点进行控制(可选)，获取与一般节点之间的距离。

一般节点由无线传输模块、微处理器、传感器、电源组成。一般节点的功能是数据采集(由传感器完成)，获取与周围节点之间的距离;将信息发送给周围节点，转发周围节点的数据。

3.3 电源模块设计

由于协调器与一般设备工作的场合不同,所以采取的供电模式也不相同。本文中协调器采用USB 供电,而一般设备则采用可充电锂电池供电。射频电路对于电源噪声很敏感,尤其是对毛刺电压和其他高频谐波。微控制器会在每个内部时钟周期内短时间突然吸入大部分电流,这是因为微控制器都是采用CMOS工艺制造的。

3.4 按键接口电路的设计

按键的一端与控制器 I/O 相连,并设置上拉电阻,按键的另一端接地。当按键没有按下时,因上拉电阻的原因,I/O 端口检测到高电平;当按键按下时,按键导通,I/O 端口的电平被拉低,检测到低电平,可实现按键的扫描。

4 系统软件设计

4.1 软件总体架构设计

软件总体架构设计有MCU的时钟设置模块、延时模块、温/湿度传感器模块、数据传输模块、主程序5个功能模块。

MCU时钟设置模块在MCU上电之后,对其系统时钟做相应的设置,即选择时钟源。CC2530 具有内置的时钟发生器，同时还可以外接两个时钟源,将时钟源按照 MCU外设的需求进行设置。延时模块包含微秒级别、毫秒级别的延时。因不同的MCU其指令系统不同,相同语句在不同的MCU下也会存在差异,因此将延时模块划分在硬件层中。温/湿度传感器模块功能是采集温/湿度传感器所测得的温度、湿度,包括温/湿度传感器模块的初始化、温/湿度传感器与MCU数据通信以及温/湿度传感器内部操作等函数。数据传输模块用于传感器节点与协调器节点进行数据传输，将温/湿度传感器采集到的数据传送到协调器,再传到计算机中,便于及时掌握温/湿度参数。

4.2 程序设计

软件设计基于TI公司推出的与CC2530芯片配套的Z-Stack协议栈和IAR集成开发环境。Z-Stack协议栈运行在基于任务调度机制的OSAL操作系统上,OSAL通过触发任务的事件来实现任务调度。OSAL 中的任务可以通过任务 API 将其添加到系统中,实现多任务机制。系统中传感器节点由 CC2530内部的MCU控制,定时向温/湿度传感器发送读温度、湿度指令。DHT11完成温度、湿度转换后会发出转换完成信号,MCU在接收到转换完成信号后,读取温/湿度值,并将这些数据信号传送给协调器。协调器通过串口RS-232与上位机相连,通过人机交互的方式对整个区域进行检测。程序设计分为协调器节点设计、传感器节点设计以及节点通信设计。

5 结 语

本文介绍了基于ZigBee的温/湿度无线传感节点及组网设计,使用CC2530 芯片作为主控制器芯片,提高了系统的工作效率,降低了能耗,使系统能更好地处理各种数据。

[1] 李文仲,段朝玉.PIC 单片机与 ZigBee 无线网络实战[M].北京：航空航天大学出版社,2007.

[2] 吕强,刘玉华,刘志军，等.基于ZigBee技术的无线温湿度检测终端设计[J].科技技术与工程,2008，23(8)：6321-6253.

[3] 李忱,杜军,金芳.无线传感器网络及其应用[J].仪器仪表用户,2006，29(22):29-31.

[4] 何希才.实用传感器接口电路实例[M].北京：中国电力出版社,2007.

[5] 郑军.无线传感器网络技术[M].北京：机械工业出版社.2012.

Design of Building Temperature and Moisture Monitoring and Networking Based on ZigBee

JI Yanqing,DONG Feixiang

(School of Electronic & Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

This paper introduced the design of building temperature and moisture monitoring and networking based on ZigBee technology.The overall design scheme,hardware design and software design were analyzed in detail.The sensor collects the temperature and moisture data to the terminal module,and the control system realizes the functions including the collection,treatment and transmitting of temperature and moisture,which improves the work efficiency.

wireless sensor network; ZigBee technology; hardware design; software design

TU 855

B

1674-8417(2016)10-0048-03

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.014

2016-10-08

董飞翔(1993—),男,研究方向为建筑智能化。