《工业控制计算机｝２０１４年第２７卷第７期 ３７ 基于Ｚｉ ｇ Ｂｅｅ技术的环境智能监测系统设计 Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 鲁娟娟 白延敏 吴 凡（正德职业技术学院，江苏南京２１１１０６） 摘 要 介绍了一种基于ＺｉｇＢｅｅ技术的无线传感器网络环境监测系统设计。系统采用ＺｉｇＢｅｅ星型状网络结构．由一个协调 器和若干个传感器节点组成。传感器节点用于采集温度、湿度、光度等环境参数，传感器节点的数据发送到协调器节点，并 将数据传输到上位机，实现数据采集、传输和显示。系统具有抗干扰能力强、可靠性好、功耗低、体积小等优点。 关键词：ＺｉｇＢｅｅ技术，传感器节点，协调器节点，上位机 Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｓ ＺｉｇＢｅｅ ｓｔａｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｂｙ ａ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ ａｎｄ ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅｓ．Ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｃｏｌ— ｌｅｃｔｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｕｍｉｄｉｔｙ，ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ ｄａｔａ，ｔｈｅｎ ｓｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ ｎｏｄｅ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｄａｔａ ｔｏ ｔｈｅ ＰＣ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＺｉｇＢｅｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅ，ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ ｎｏｄｅ，ＰＣ 在智能家居的环境监测、矿井的环境监测、粮仓的环境监 测、农业大棚的环境监测中，如果采用传统的有线监测方法，会 导致布线繁琐、建置成本高、维护不方便以及系统的可扩展性和 移动性差等问题。无线监测系统不仅省去了大量的布线工作和 维护费用，而且网络部署更加规范。近年来．无线技术以它优越 的灵活性和便捷性在网络应用中发挥着日益重要的作用。 １ 系统设计 １．１ ＺｉｇＢｅｅ无线网络 图１网络结构图 Ｉ－ ２硬件设计 ＺｉｇＢｅｅ网络一般由协调器（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）、路由器（Ｒｏｕｔｅｒ） 一 一～ 节点和传感器（Ｅｎｄ—Ｄｅｖｉｃｅ）节点组成。协调器是一个全功能设备 ＦＦＤ（Ｆｕｌｌ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ），负责创建、维护整个网络，并为加入 本系统的硬件设计主要涉及两类节点的设计，传感器节点和 协调器节点。目前基于ＺｉｇＢｅｅ的节点一般有两种模式 ：一种是 网络的节点分配地址，每个网络必须有而且只能有一个协调器。路 由器也是全功能设备，负责信号的路由，根据实际情况设定个数。 将整个系统集成在一块模块上；另一种是将ＺｉｇＢｅｅ射频收发模 块设计成单独模块。前者系统集成性比较好、体积小，但兼容性比 较差，后者扩展性比较好，可与其他的无线射频模块使用，也可用 于其他用途的元线网络系统。本系统就采用第二种方式，传感器 节点和协调器节点采用相同的ＺｉｇＢｅｅ无线射频模块。 ２．１传感器节点 系统采用ＣＣ２５３０单芯片，它是基于ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准和 ＺｉｇＢｅｅ技术应用，结合了ＲＦ收发器、增强型的８０５１ ＣＰＵ、存储 器和ＺｉｇＢｅｅ协议栈 传感器节点，又称终端设备，是一个半功能设备ＲＦＤ（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ），负责信号识别和数据发送，由多个组成。 根据节点的组合不同可以形成星型、树形和网状型三种网 络拓扑结构，它对于网络管理、网路节点间的数据传输起着很重 Ｉ－＿ 要的作用 ］。无线网络构架后，进行数据通信时，需要为每个设 备分配一个网络地址，地址的分配取决于整个网络拓扑结构，并 由三个值决定：网络的最大深度（Ｉ ）、每个父节点拥有的最大孩 子节点个数（Ｃ ）和每个父节点拥有的最大孩子节点中路由器的 最大个数（Ｒ ）…。但网络地址无需人为计算，系统会自动分配。 １．２系统设计 等，只需稍加外围电路 和内部编程即可完成无 线组网和通信［６－９１。基于 ＣＣ２５３０芯片设计无线 广…一ｚｉｇＢｅｅ射频模块… 本系统采用星形无线传感器网络结构，由一个协调器节点 和若干传感器节点组成，结构如图１所示。上位机通过ＵＳＢ转 ＲＳ２３２与协调器节点有线相连，协调器通过ＺｉｇＢｅｅ无线方式 射频模块，体积小、功 耗低、通讯可靠、效率 高，结构如图２所示。 ２－２协调器节点 ｉ ： ．． 』＋Ｌ ｉ ； 与传感器节点相连。协调器建立无线网络后，传感器节点上电后 将自动与协调器对话，匹配成功后加入ＺｉｇＢｅｅ无线网络。然后 通过ＺｉｇＢｅｅ技术将传感器节点数据传输至协调器，协调器再 将数据传输至上位机，由上位机完成数据处理和保存，实现环境 参数采集。 江苏省大学生实践创新训练计划（２０１３１２９２１０１０Ｙ）资助 协调器节点采用 是整个系统的核心，负责各传感器节点的工作，还要把传感器节 点的数据发送给上位机。因此在协调器节点设计中除了采用与 基于ＺｉｇＢｅｅ技术的环境智能监测系统设计 传感器节点相同的ＺｉｇＢｅｅ 射频模块外，还应具有与上位 机通讯的电路，如图３所示。 ３软件设计 ：＝ 惶＝＝ ｊ’ ●一一一一…一一Ｊ Ｉ ｕ Ｂ愤ｕ Ｉ 调器和传感器节点１放在室内，传感器节点２放在走廊，传感器 节点放在室外，并在不同时间点对该系统进行了温度和光度的 测试，结果如表１所示。 表１温度测试对比表 时间 节点１ 节点２ 节点３ ３．１上位机 本系统控制由上位机执行，上下位机有问有答，无答不执 行。上位机操作界面由ＶＢ编写，形象直观、操作方便。上位机工 作时首先进行串口初始化，然后检测是否有网络存在，如果存在 就采集环境参数，具体流程如图４所示。 温度（。Ｃ） 早上１Ｏ：Ｏ０ 傍晚ｌ６：００ １７ ８ １７．０ １６ ５ ｌ６．４ １９．８ １８ Ｏ ３ １协调器节点 协调器上电配置物理信道主动扫描，选择合适的物理信道和 网络号，建立起网络。协调器根据来自上位机采集数据的命令，根 早上１０：Ｏ０ ２０６ 光度（ｃｄ） １ ５４ ２２０ 傍晚Ｉ６：００ １９１ １４６ ２１ ７ 据网络地址进行数据发送和接收，具体工作过程如图５所示。 ５结束语 本文构建了一个基于ＣＣ２５３０的ＺｉｇＢｅｅ无线网络系统， 并对温度、光度进行了测试，结果表明，系统可靠、测量结果精 确。该系统不仅可以测量温度，还可推广测量其他环境参数，如 湿度、烟雾等，同时该系统还可以推广至其它领域的应用，如校 园的安防系统、老年公寓的监护系统等。 参考文献 ［１］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，２０１２．５：１８８—２２４ ［２］刘辉，赵丽芬，孙番典，等基于ＣＣ２５３０的ＺｉｇＢｅｅ射频收发模块设 计［Ｊ］．云南民族大学学报（自然科学版），２０１２，２１（６）：４５２—４５６ 图４ 上位机工作流程图 图５ 协调器节点主流程图 ［３］周岭松，余春喧．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的温、湿度控制系统［Ｊ］．电子测量 技术，２０１ １，３４（６）：４７—５０ ３Ｉ２传感器节点 传感器节点上电后， 根据配置物理信道被动 扫描，选择合适的物理信 ［４］章伟聪，俞新武，李忠成．基于ＣＣ２５３０及ＺｉｇＢｅｅ协议栈设计无线 网络传感器节点［Ｊ］．计算机系统应用，２０１１，２０（７）：侣４—１８７ ［５］蔡利婷，陈平华，罗彬，等．基于ＣＣ２５３０的ＺｉｇＢｅｅ数据采集系统设 计［Ｊ］计算机技术与发展，２０１２，２２（１１）：１９６—１９８ ［６］徐健，杨珊珊基于ＣＣ２５３０的ＺｉｇＢｅｅ协调器节点设计［Ｊ］物联网 技术，２０１２（５）：５５－５７ 道和网络号并加入网络。 根据来自协调器命令，进 行数据采集和发送，具体 工作过程如图６所示。 ４调试与应用 ［７］陈雪小基于ＣＣ２５３０无线传感器网络的环境监测系统的设计［Ｊ］ 信号与系统，２０１２（５）：１９—２１ ［８］葛鑫，吕虹基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的楼字空气检测系统研究 ［Ｊ］重庆工商大学学报（自然科学报），２０１３，３０（７）：６９—７２ ［９］刑秋芬，王熙．基于ＶＢ的ＺｉｇＢｅｅ无线网络温湿度传感器系统设计 本测试系统由上位 机和下位机组成。下位机 主要由１个协调器节点 图６传感器节点主流程图 ［Ｊ］．农机化研究，２０１３（７）：１３１—１３４ 『收稿日期：２０１４ ４ ３１ －、 、 ．石 、 －石 、 写 Ｉ’ｌ、 五 和３传感器节点组成，协 石 ＼！ ｅ ２０１ ４年全国工业控制计算机技术年会征文通知 为了引领工业控制计算机产业的发展，探讨国内外先进技术动态，展示工业控制计算机领域新产品，中国计算机学会工业控制 计算机专委会拟于２０１４年１０月３０－１ １月１ Ｅｌ在重庆市召开全国工业控制计算机学术年会。本次会议由中国计算机学会主办，中 国计算机学会工业控制计算机专委会、北京控制工程研究所、北京康拓科技有限公司、北京轩宇空间科技有限公司承办。会议将围绕 “可信计算与信息安全”这一主题，邀请全国工业控制计算机行业的著名专家、企业领导人、技术工程师、高校师生、产业用户、论文作 者等参加，通过特邀报告、学术报告、论文宣读等形式，就工业控制计算机技术和工业自动化技术的最新进展和产业化等热点问题展 开深入而广泛的交流、沟通、讨论和研究。大会将出版年会论文集，现面向全国征集论文，论文截止Ｅｌ期为２０１４年１Ｏ月１０ Ｅｌ。录取 论文将收入年会论文集，推荐到《测控技术》和《工业控制计算机》杂志发表。年会将评选优秀论文，颁发优秀论文证书和奖金；优秀论 文将在中文核心期刊《测控技术》上免费发表。欢迎业界广大科研人员、技术人员、工程应用人员和产业化工作人员踊跃投稿。 征文范围、要求详见《工业控制计算机》杂志社网站（ＷＷＷ ｉｐｃｍ．ｃｏｍ．ｃｎ）业界动态（２０１４～６—２３）信息“２０１４年全国工业控制计算 机技术年会征文通知” 联系方式：中国计算机学会工业控制计算机专业委员会秘书处 联系人：毕经丹 电话：（ｏｌ０）６２５３６４４３ Ｅｍａｉｌ：ｃＯｎｔｒＯｌｔｅｃｈ２Ｏ１ ４＠１ ６３．ｃｏｍ 传真：（ｏｌ０）６２５３３７９３
