0 引言

隨著計算機網絡技術及無線移動通信技術的迅速發展，各種新的無線網絡通信技術不斷涌現，如GSM,3G等無線移動通信技術以及藍牙、WiFi等無線局域網技術，它們越來越被人們所熟悉和應用。然而，這些技術的設備系統非常復雜，且功耗較大、成本很高，不便于在一些低數據速率和通信范圍較小的場合使用，例如數據采集系統、智能家居等領域。近年來，無線傳感網的出現為這些問題帶來了更好的解決方法，其中ZigBee作為一種低復雜度、低功耗、低成本的低速率無線連接技術越來越被人們所重視，開發應用ZigBee技術的無線設備已成為業界的一個熱點。本文設計一種基于ZigBee的溫濕度數據采集系統，利用CC2430通信模塊組建小型無線傳感器網絡，并實現了傳感器網絡的軟硬件設計。其算法經干擾環境下測試表明，網絡具有較強的魯棒性和自組能力。

1 ZigBee技術及CC2430簡介

1.1 ZigBee技術

ZigBee技術是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率和低成本的無線網絡技術。它是介于無線標記技術和藍牙之間的技術，主要用于近距離無線連接。一般而言，隨著通信距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統成本都在增加。相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee技術是最低功耗和最低成本的技術。由于ZigBee技術的低數據速率和通信范圍較小的特點，決定了ZigBee技術適合于承載數據流量較小的業務。所以ZigBee聯盟預測的主要應用領域包括工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、農業自動化和醫用設備控制等。

1.2 CC2430芯片

該設計的微處理器使用TI公司的CC2430,它可用于2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee的片上系統解決方案。CC2430內部整合了IEEE80 2.15.4標準的2.4 GHz的RF無線電收發機、內存和微控制器。它使用一個8位MCU（8051），有128 KB的可編程閃存和8 KB的RAM,同時還包含ADC、定時器、AES-128協同處理器、看門狗定時器、掉電檢測電路等。CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產，封裝尺寸僅7 mm×7 mm.微處理器全速工作頻率為32 MHz,在接收和發射模式下，電流損耗約為27 mA.CC2430的休眠模式以及其從休眠模式轉換到工作模式的超短時間（在微秒級）的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

2 數據采集系統總體架構

無線傳感器網絡終端節點主要由數據采集模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源管理模塊組成。數據采集模塊負責通過各種類型的傳感器采集物理信息；數據處理模塊負責控制整個節點的處理操作、功耗管理以及任務管理等；數據通信模塊負責與其他節點進行無線通信，它通過ZigBee無線電波將數據傳送到路由節點或主協調器節點，路由節點再將數據轉送到主協調器節點或經過上級路由節點轉給主協調器節點，主協調器節點通過RS 232串口將所有信息匯集傳至PC機或服務器。數據采集系統總體架構圖如圖1所示。 




3 ZigBee節點硬件設計

本文總體硬件設計是實現針對主協調器節點的設計與開發。主協調器的硬件系統中包括CC2430通信模塊、鍵盤電路模塊、串口轉USB模塊、液晶顯示模和電源電路模塊等。主協調器節點的主要功能是負責接收和存儲傳感器節點發送來的消息，并向傳感器節點發布網絡控制信息，同時與Pc機進行數據交換。其中串口轉USB模塊負責轉換CC2430模塊與PC機的通信信號；液晶顯示模塊負責節點工作狀態的指示；電源模塊通常采用持續電力供電，為主協調器節點提供運行所需的能量。根據氣象采集系統的需求設計硬件結構，并設計各部分電路，包括無線傳輸模塊、CC2430接口模塊、復位電路模塊、電源電路模塊、數據采集模塊、擴展電路模塊及外圍電路。如圖2所示為主協調器節點硬件組成圖。 



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溫度傳感模塊的核心元件為Pt100鉑電阻，它是正溫度系數熱敏電阻傳感器，線性較好，在0~100℃之間變化時，最大非線性偏差小于0.5℃。另外，Pt100溫度傳感器還具有抗振動、穩定性好、準確度高、耐高壓等優點。模塊框圖如圖3所示。 




濕度傳感模塊采用數字集成電路SHT11,其性能特點是：將溫濕度傳感器、信號放大調理、A/D轉換、I2C總線接口全部集成于一塊芯片上（CMOSensTM技術）；濕度傳感模塊框圖如圖4所示。 




4 ZigBee網絡軟件設計

傳感器網絡軟件設計的主要任務是無線網絡的組網、傳感器工作的控制以及數據的采集與收發。傳感器節點主要實現數據的采集與定時發送；路由節點實現數據的轉發；匯聚節點一方面負責網絡配置與管理，包括定義通信信道、網絡標識符（PANID），配置網絡的Profile,響應節點加入網絡的請求和綁定請求，為其他節點分配網絡地址等。另一方面還接收各傳感器節點發來的數據，將其進行匯聚后通過RS 232串口傳給PC機終端。

首先上電初始化整個系統，啟動協調器建立一個新的網絡，路由節點和傳感器節點尋找并加入網絡，協調器即可與終端節點進行綁定。綁定完成后傳感器節點即可采集數據并發送數據，收集節點負責接收數據，并通過RS 232傳至PC顯示。圖5為協調器和傳感器節點的數據采集算法流程圖。 




路由節點的流程基本與協調器相似，只是它將接收的信息再轉發給協調器。

經測試，上述算法運行于網絡后，網絡魯棒性和自組能力明顯增強。

5 結論

本文基于TI的CC2430芯片和ZigBee協議，設計了溫濕度數據采集系統，介紹了硬件設計方法，給出了數據采集軟件算法。經多次試驗，節點能夠準確采集溫度和濕度等數據并將數據發送到匯聚節點。在干擾環境下測試表明，該網絡具有較強魯棒性和自組能力。