基于ZigBee技术的无线环境监测节点的设计与实现

基于ZigBee技术的无线环境监测节点的设计与实现崔丹丹刘玉洁单承刚(枣庄学院信息科学与工程学院，枣庄 277100)摘要：在大型仓库、粮仓、工厂车间、物流中心等领域,针对传统环境监测方式存在费时、费力、效率低且实时性差的缺陷,本文提出一种基于ZigBee技术实现无线环境监测的设计方案。

环境监测系统围绕Cortex-M3架构的STM32F107处理器构建物联网网关,采用CC2530+操作系统抽象层OSAL构建ZigBee传感器监测节点, ZigBee传感器监测节点采集数据汇聚至ZigBee协调器,ZigBee协调器通过串口将数据传输到网关,从而实现数据的实时监测。

本文主要研究了ZigBee 传感器监测节点的软硬件实现方案,给出了传感器监测节点的软硬件设计,应用结果表明,系统可靠性高,实用性强,有效降低了环境监控系统成本。

关键词： ZigBee；环境监测；OSAL；Cortex-M3中图分类号：TP277 文献标识码：ADesign and implementation of wireless environment monitoring node based onZigBee TechnologyCui Dandan ,Liu Yujie,Shan Chenggang(Zaozhuang University of Technology,Zaozhaung 277100,China) Abstract：In large warehouse, granary, factory workshop, logistics center, and other fields, traditional environmental monitoring method exist some questions .For example waste time and energy ,the defects of low efficiency and poor real-time performance. This paper proposes a design scheme based on ZigBee technology to realize the wireless environment monitoring. Environment monitoring system around Cortex-M3 architecture structure gataway .CC2530 + operating system abstraction layer OSAL was used to construct monitoring ZigBee sensor nodes, ZigBee sensor nodes to collect data to ZigBee coordinator, ZigBee coordinator via a serial port to transmit data to the gateway, so as to realize the real-time monitoring of data.This environment monitoring system has the characteristics of high reliability,high practicability and lower cost.Key words: ZigBee; wireless environment monitoring; OSAL;Cortex-M3引言本系统采用的ZigBee技术是一种基于IEEE 802.15.4协议标准的近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术,主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用,已成为当下较为流行的无线通信技术。

本文介绍了一种基于无线传感器网络技术的环境监测系统。

其采用无线传感器网络技术（ZigBee）实现数据的采集与控制功能。

其中,监测节点实现对环境温度、光照度、火焰和湿度的数据采集,网关与上位机都可以对数据进行实时监测与反控。

1系统结构系统通过STM32F107处理器实现了uC/OS-2-2操作系统的移植,系统采用的是ZigBee数据传输技术。

系统利用CC2530构建ZigBee传感器监测节点,以Cortex-M3处理器构建嵌入式网关,网关作为监测系统的控制中心,汇总监测节点采集的传感数据,利用串口传送至上位机,供用户做出响应。

基于ZigBee技术的环境监测系统实现了无线数据的传输,由路由器节点作为监测节点,通过路由节点上的传感器采集数据,并传输至协调器,协调器通过串口传输数据最后汇聚Cortex网关。

2硬件设计2.1 监测节点硬件架构设计系统是基于ZigBee技术的无线环境监测系统。

CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（Soc）解决方案。

它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。

其硬件逻辑结构主要是系统监测节点对数据的采集、转换以及相应的传输显示过程。

其具体监测节点硬件结构如图1所示。

图1监测节点硬件结构图2.2传感器模块2.2.1温湿度传感器本系统选用了温湿度传感器SHT10,其中SHT10的供电电压为2.4V～5.5 V。

SHT10的两线串行接口在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理,其总线类似I2C总线但并不兼容I2C总线。

温度传感器是使用IO口模拟类I2C的过程进行数据读取的。

使用SHT10温湿度传感器可使系统结构更趋简单, 可靠性更高。

它在测温湿精度、转换时间、传输距离、分辨力等方面有了很大的改进, 给用户带来了更方便和更令人满意的效果。

温湿度传感器电路图如图2所示。

图2温湿度传感器电路图2.2.2 光照传感器光照传感器中内置了高精度的16bit A/D 转换器,无需外部器件,对于暗处到室外有着较宽广的照度范围,其测量范围为1~65535 Lx（Lx是光照强度单位,指光照的强弱,以单位面积上所接受可见光的能量来量度。

简称照度,称勒克斯Lx）,可通过寄存器设定来选择1Lx 或4Lx 的步进来进行测定。

可以直接输出照度值。

光照传感器电路图如图3所示。

图3 光照传感器电路图2.2.3 火焰传感器火焰传感器利用红外线对对火焰非常敏感的特点,使用特制的红外线接受管来检测火焰,然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号,输入到中央处理器中,中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理。

3 监测节点软件设计3.1 OSAL工作原理OSAL是以实现多任务为核心目标的系统资源管理机制。

ZStack协议栈中包括了：操作系统抽象层OSAL的协议栈调度程序。

操作系统抽象层OSAL与标准的操作系统有很大的区别,OSAL实现了类似操作系统的某些功能,但并不能称之为真正意义上的操作系统。

OSAL通过OSAL_ADD_TASK添加任务到任务表中,形成一个任务链表,这个任务链表是以任务的优先级先后排序的。

优先级高的排在前,低者排于后。

3.2 监测节点主程序节点程序采用OSAL的任务运行机制,该机制以多种任务资源分配为核心,实现了某些类似操作系统的功能。

当系统开始运行时,首先对各节点硬件进行初始化,然后对协议栈的各个层进行初始化并注册各节点性质,最后由协调器组建网络,路由节点申请入网。

网络建立成功后,各节点便进入OSAL操作系统循环,然后根据情况调用相应的事件处理函数。

监测节点主程序流程如图4所示。

图4 监测节点主程序流程图3.3 传感器数据采集3.3.1温湿度传感器采集程序温湿度传感器中的探头直接使用IIC接口进行控制,本实验使用CC2530读取温湿度传感器SHT10的温度和湿度数据,并将采样到的数据转换然后再LCD显示。

其中对温湿度的读取是利用CC2530的I/O模拟一个类IIC的过程。

具体数据的电路图如图5所示。

图5 温湿度传感器数据采集流程图3.3.2光照传感器的硬件连接及数据采集通过CC2530自带的光照传感器接收到的环境的光强产生的电压变化,传给协调器,通过A/D转换将光照值转换成具体数值,若参数在设定范围（0-100）内,将收集到的光照数据传送给网关和上位机；若不在范围（0-100）内,蜂鸣器报警。

3.3.3 火焰传感器的硬件连接及数据采集火焰传感器的数据采集是通过检测传感器端口的状态的变化来实现的。

端口状态为高电平时为有火焰,低电平无火焰,通过协调器检测端口状态,将数值传至网关,网关将数值通过串口传给PC机,利用PC机软件将数值实时显示出来。

结语本文介绍了基于无线传感器网络技术的环境监测系统。

系统的核心技术是ZigBee技术,ZigBee技术是一种低数据传输速率的无线个域网。

其中,网络的基本成员称为设备。

在该网络中,设备按照各自作用的不同可以分为协调器节点、路由器节点和终端节点。

其中ZigBee网络协调器是整个网络的中心,它的功能包括建立、维持和管理网络,分配网络地址等。

ZigBee路由器主要负责路由发现、消息传输、允许其他节点通过它接入到网络。

ZigBee终端节点是通过ZigBee协调器或ZigBee路由器接入到网络中,ZigBee终端节点主要负责数据采集或控制功能,但不允许其他节点通过它接入到网络中。

本文研究的环境监测系统就是利用ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee 终端节点的种种优点,系统的、实时的将环境中的数据反馈给用户,便于用户对数据的实时应用。

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