摘要：依据一些环境温度湿度实时监测的需求，选用首个契合Zigbee规范的CC2430射频芯片，以SHT10为温湿度传感器来规划完结温度湿度的数据收集与传输。运用TI公司的Z—Stack协议栈在IAB开发环境下，树立一个无线传感器网络。网络和谐器经过RS232串口与PC通讯，完结对温度湿度的无线智能监测。
关键词：Zigbee；无线网络；CC2430；温度湿度监测
在生命科学设备、计量校准实验室和电子制作环境，温度和湿度往往需求监测和报警显现，以确保产品和工艺；在农业栽培、环境监测和咱们的日常日子中，要时间关怀环境改变，只要在适合的温度和湿度下，才干取得更大的效益。以往的测温测湿体系都是经过CAN或RS485等有线方法传送数据，线路杂乱布线困难，本钱高，老化、简略受雷击等问题影响了其可靠性。别的，像温度、湿度传感器这样的设备并不需求很大的功耗和数据传输速率。Zigbee技能弥补了低本钱、低功耗和低速率无线通讯商场的空缺，其成功的关键在于丰厚而快捷的运用。
Zigbee技能有自己的无线电规范，在数千个细小的传感器之间彼此和谐完结网络通讯。这些传感器只需求很低的功耗，以接力的方法经过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，它们的通讯功率十分高。无需布线，能够依照需求增减温度湿度收集节点，自组织网络，并且节点功耗低，生命周期长，运用灵敏便利。因而，选用Zigbee技能来规划温度湿度监测体系，具有显着的实用价值和现实意义。
1 Zigbee技能及协议栈
Zigbee是一种新式的短距离、低速率、低本钱无线网络技能，是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络渠道。Zigb ee协议栈对那些触及Zigbee的层予以界说。IEEE 802．15．4规范界说了最下面的两层：物理层(PHY)和介质接入操控子层(MAC)。Zigbee联盟供给了网络层和运用层结构的规划，其间运用层的结构包含了运用支撑子层(APs)、设备目标层(ZDO)和由制作商制定的运用目标。Zigbee支撑的设备类型包含FFD(全功用设备)和RFD(半功用设备)。FFD能够和FFD和RFD通讯，能够为PAN和谐器，路由器和终端设备。RFD只能和FFD通讯，只能作为终端设备。在IEEE802．15．4物理层和MAC层基础上，Zigbee网络层供给了一些功用，比方动态网络的树立、地址、路由和发现
一跳的街坊节点等。
2 体系的组成
该监测体系由Zigbee和谐器、Zigbee路由器、若干个SHT10温湿度传感器组成的树状网络结构图。其间，传感器节点散布于需求监测的区域，担任对数据的感知和处理，并经过无线射频信号发射给路由器，再经过路由器的转发将数据传给和谐器，终究经过RS232串口将数据送入监控主机，监控主机放在监控室，担任数据存储和对数据的进一步处理。Zigbee网络中，每个设备具有两个地址：一个是64位IEEE物理地址，每个节点具有全球仅有的MAC地址，另一个是地点PAN里独有16位网络地址，也称短地址。网络地址是在节点参加网络时，由其父节点分配给它的。和谐器在树立网络后运用0x000作为自己的短地址。路由器和终端参加网络后，运用父设备给它分配的短地址来通讯。作业人员无需到现场，经过检查网络地址即可知道哪一点传来的数据，这样既便利快速又可会集查询、办理数据。
3 硬件规划
为了便于体系功用扩展，节点选用模块化规划，分为中心板、底板、传感器模块3个部分。中心板担任传感器的驱动以及数据的传输作业。它的主控芯片是CC2430[4]，是一款真实契合IEEE802．15．4规范的片上Zigbee产品，具有超低功耗、高灵敏度、拔尖的噪声及抗干扰才能。中心板即为CC2430单片机的最小体系板，它将CC2430单片机的P0口、P1口和P2_0-P2_2悉数引出，满意模块化规划的需求。因为CC2430在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微操控器。内部集成了很多必要的电路，因而选用较少的外围电路即完结信号的收发功用，如图1所示。
底板一方面衔接中心板与传感器模块，在传感器与芯片之间进行数据传输，另一方面为整个模块供电和节点与PC机之间通讯的接口，主要由电源电路、单片机接口电路、复位电路等组成。体系中CC2430芯片需求的电源是3．3 V直流稳压电源，而咱们常用的电源电压是5 V，所以需求用DC—DC直流转换器1117—3．3将5 V直流电转换为3．3 V直流电，以供体系正常作业需求。电源模块电路如图2所示。
传感器模块选用温湿度传感器SHT10，担任收集温度、湿度数据，其作业电压为2．4～5．5 V，测湿精度为±4．5％RH，25℃时测温精度为±0．5℃。因为传感器SHT10既能够收集温度数据也能够收集湿度数据。它用两条串行线与处理器进行数据通讯，SCK数据线担任处理器和SHT10的通讯同步；DATA三态门用于数据的读写。将模拟量转换为数字量输出，所以用户只需依照它供给的接口将温湿度数据读取出来即可。数据收集完结后Zigbee无线通讯芯片将数据经路由器传输到和谐器，这样温湿度收集节点便完结了一次作业周期。本规划中CC2430的引脚P0_0用于衔接SCK，P0_4用于衔接DATA。
4 体系软件规划
本体系软件规划依据TI公司推出的CC2430芯片配套的Z—Stack协议栈和IAR集成开发环境。在TI免费协议栈的基础上，经过修正其运用层来完结不同的功用。一般情况下，咱们只需求添加三个文件就能够完结一个项目，一个是主文件，寄存详细的使命处理函数，一个是这个主文件的头文件，另一个是操作体系接口文件，专门寄存使命处理函数数组tasksArr[]的文件。无需改动Z—Stack中心代码，大大添加了项目的通用性和易移植性。咱们把Coordinator、Router和End Device这三种设备一同添加到项目中，在“project==>edit configurations”中，别离树立“Coordinator”“Router”及“EndDevice”三种设备的项目设置。无线传感器网络代码包含和谐器代码、路由器代码、传感器节点代码。这些代码都在同一个工程文件中，经过条件编译的方法将代码分红不同的功用。
4．1 和谐器节点规划
在一个Zigbee无线网络中，和谐器作为网络的中心节点最早发动。复位上电今后，首要进行体系初始化。完结之后，就会扫描DEFAULT_ CHANLIST指定的信道，最终挑选一个适宜的信道树立网络，等候有子节点参加时，就会宣布入网呼应。子节点参加网络成功后，和谐器接纳到传来的数据包，解分出数据源的短地址、温度和湿度值并将其传送给PC显现出来。其流程图如图3所示。
4．2 子节点规划
路由器和终端设备发动后，将扫描DEFAULT_CHANLIST指定的频道。首要进行初始化，然后申请参加网络成功之后，经过JionAsRouter= TRUE?判别是否为路由器。假如是，则等候终端设备传来的温湿度数据，接纳后再转发给和谐器。假如是终端设备，传感器节点在不同作业形式下功耗大不一样，为了下降功耗，它平常应该处于休眠形式，被唤醒后才将数据发给父节点，发送完后再次进入休眠形式。通讯协议应该简略有用，发送节点信息时运用短地址发送，使得节点的运算开支尽量小，这样可大大延伸节点的寿数。子节点通讯流程如图4所示。
传感器节点每隔一段时间收集一次温度、湿度值，然后把数据打包传输给父节点，假如传输成功，节点进入休眠状况；假如传输不成功，就再从头收集数据传输数据，直到成功中止。温湿度传感器烧写过程：在项目的运用层(APP)中添加Humidity．c和Humidity．h文件，然后在操作体系接口文件OSAL_SampleApp．c中的使命数组tasksArr[]添加使命函数osalTaskAdd(Humidity_Init，Humidity_ProcessEvent，OSAL TASK_PRIORITY_LOW)，最终运转程序没有过错后，把程序烧写到传感器节点即可。
4．3 低功耗规划
为了使节点有更长的生计时间，对传感器节点进行休眠设置。CC2430芯片选用0．18 μm CMOS工艺出产，作业时的电流损耗为27 mA；在接纳和发射形式下，电流损耗别离低于27 mA和25 mA。CC2430的休眠形式和转换到自动形式时间超短，不会发生很大的时间延迟。Z—Stack供给了两种sleep形式，LITE和DEEP(PM2／PM3)。PM2形式比较省功耗并且能够被守时唤醒；PM3形式最省电可是只能被外部中止唤醒。体系在进入低功耗形式前，有必要确保没有需求处理的音讯或其他事情。当体系需求周期性地唤醒履行一些事情时运用PM2形式，假如当时没有使命那么将进入PM3形式。敞开休眠形式如下：首要承认在配置文件f8wConflg．cfg中的DRFD_RCVC_ALWAYS_ON界说为FALSE；第二步，在IAR的Optio ns->C／C++Compiler->Defined symbols中添加编译选项POWER_SAVING；第三步，在Options->Linker->Linker command line里边把8w2430. xel改为f8w2430pm．xel；第四步，检查是否进去低功耗形式，在osal．c文件中osal_start_system()中以下部分加断点，看是否进入。
5 测验成果
选用一个和谐器、一个路由器和3个温湿度传感器节点测验，各个节点与和谐器相距大约50米。首要翻开电源，待和谐器树立网络之后，路由器和终端节点就开端申请参加网络。等候底板上的信号指示灯闪耀后，就标明有节点成功参加网络，终端节点开端周期性地收集周围环境的温度湿度值。收集一次数据后，指示灯平息，阐明此刻终端节点进入低功耗形式。和谐器经过RS232与PC相连，经过串口调试帮手显现数据，设置波特率为115200b／s，无校验位，8位数据位，1位中止位。某一时间收集到各点的温度湿度值如图5所示(小端格局十六进制显现)。依据SHT10数据手册，实践温度=0．04x温度值-39.6，实践湿度=-4++0.648x湿度值-7.2×10-4×湿度值2，经核算实践温度约为27.5℃，实践湿度约为51．6％RH。
6 结束语
文中以CC2430为中心完结了温度湿度监测体系的规划，在传感器SHT10的合作下，完结了对环境温度湿度的无线监测。在硬件方面为模块化规划，具有扩展性，加上相应的传感器能够测其他要素如光照、气体浓度等，能够监测更多的环境要素；软件方面简化通讯协议，并使终端休眠，下降了其功耗，延伸了节点运用寿数。在运用过程中能够经过在Zigbee和谐器及路由器上添加TI公司的2．4 GHZ射频前端CC2591来添加网络的掩盖规模，或许添加GPRS模块来进行更长途的无线监测。实用性高，可扩展性强，可广泛运用在仓储体系、中央空调体系、温室大棚、精密仪器的实验室和温度湿度条件要求严厉的环境中，商场前景宽广。
