0 引言
隨著信息化時代的到來，ZigBee無線模塊廣泛應用在軍事、智能家居、醫療監護環境監測和遠程工業控制領域。事實證明，無論是工廠、辦公樓還是家居都需要無線傳感網絡的支持。為了滿足社會對無線傳感器技術的需求，出現了多種短距離的無線通信技術，如Bluetooth和紅外技術等。這些技術確實給我們的工作和生活帶來方便。但是對于遠程監控系統、家居智能控制和工業自動化控制領域來，這些技術難以滿足人們的需求, ZigBee數傳技術的出現帶來了革命性的變革。
由于使用成本低，技術難度小，ZigBee數傳模塊被廣泛地應用工業遠程控制和智能家居領域。無線傳感器網絡不需要太高的傳輸帶寬，其極低的功率消耗使得無線傳感器網絡設備的工作壽命更長。
1 無線傳感網的構成
ZigBee無線模塊無線傳感網（RSN）配備了三種類型的節點：傳感器節點（sensor node）、匯聚節點（syntaxesnode）和管理節點（management node）。將許多的帶有射頻功能的節點任意地分布在被監控區域之內，然后自動地組建一個無線網絡。當數據經過節點的預處理后，再傳輸到其它的節點，然后再轉到匯聚節點，最后到達管理節點。
圖1 無線傳感網（RSN）組成
該傳感器節點既可以作為終端設備也可作為當路由設備，匯聚節點相對其它節點來說具有更強的功能，它能夠轉換協議使得管理節點和傳感器網絡實現通信，并且保證了管理節點發布一些控制命令的功能。
RSN的基本組成單元是無線傳感器網絡節點，它一般包括ZigBee數據采集和處理模塊、傳輸模塊、供電模塊和其它的組件，如圖2所示。
圖2 無線傳感器網絡節點結構
主要包括：
（1）ZigBee數據采集模塊：包括傳感器和AD轉換模塊，主要用于獲取數據信息
（2） 數據存儲模塊：包括處理器單元和存儲器，進行數據的存儲轉發工作。
（3）數據傳輸模塊：ZigBee無線模塊，主要是和其它節點交換數據。
（4）電源模塊：采用普通5號電池。
（5）輔助模塊：一些用戶自定義的系統。
2 系統軟硬件設計與實現
本文基于ZigBee數傳模塊設計的的無線溫度傳感網絡系統實現了溫度傳感器的無線信號傳輸與控制，具有低功耗、安裝維護方便等有點。它還可以和其它的通信技術（如GSM/GPRS）以及其它傳感器結合起來，實現對監測區域的遠程監控。
（1）網絡結構
本系統采用星型網絡結構，主要包括了三個部分，分別是：一個協調器、三個終端節點和上位PC機。終端節點上加上DS18B20和蜂鳴器，將終端放置于監測區域的不同位置，通過DS18B20進行ZigBee數據采集并存儲外部的溫度，當溫度超過或低于某一溫度限度時則發出報警；協調器負責搜索并組建Zigbee數傳網絡，同時完成傳感終端與上位PC機間的數據傳輸；PC機負責顯示接收到的溫度數據并繪制出平均溫度的實時變化曲線圖。
（2）系統實現過程描述
中心板上電后，首先自啟動為協調器，搜索信道組建網絡成功后，自動進入允許綁定狀態的自啟動模式。在該模式下，LED狀態指示節點中的LED1和LED3長亮，LED2閃爍幾秒變暗，指示設備已被配置成成協調器并自動處于允許綁定狀態。終端節點上電后自動發送加入網絡的請求，它會試圖發現一個合適的協調器并且將自己和協調器綁定起來，在本系統中，采用星型網絡拓撲結構只存在一個協調器，因而終端節點能夠自動加入網絡并和協調器建立綁定，此時它的LED狀態指示節點中的LED1和LED2會快速閃爍。綁定成功建立后，終端設備會根據程序中設定的發送報告周期時間周期性地將采集到的溫度數據發送給協調器，此時協調器的LED狀態指示節點中的LED2會慢速閃爍。
（3）系統硬件總體設計
主協調器的硬件系統包括了供電模塊、LCD顯示人機交互模塊、LED節點狀態指示模塊、串口轉USB模塊、仿真器模塊。主協調器的硬件整體系統設計框架如圖3所示。
圖3 主協調器硬件設計框圖
其中，仿真器模塊主要用來將程序下載到硬件板中；CC2530通信模塊負責接收和存儲數據，并向傳感器節點傳輸控制信息，并且負責與PC機進行數據交換；LCD顯示模塊和PC上位機負責顯示傳感節點發送的溫度數據，方便進行人機交互；LED節點狀態顯示模塊用來指示節點的工作狀態，方便系統的測試和使用；串口模塊負責轉換CC2530模塊和PC機之間的通訊信號。本系統中采用USB供電方式進行供電。
（4）傳感器節點設計
傳感器節點硬件系統包括供電模塊、溫度測量傳感器模塊、蜂鳴器報警模塊、LED節點狀態指示模塊和CC2530通信模塊。傳感器節點硬件整體系統設計實現框架如圖4所示。
圖4 傳感器節點硬件結構示意圖
溫度測量傳感器采用DS18B20，負責采集監測區域內的溫度數據；蜂鳴器報警模塊負責當溫度數據超過或低于限定值時發出報警信號；LED節點狀態顯示模塊用來指示節點的工作狀態，方便進行系統的測試和使用。
（5）供電電路的設計
本系統中為了保證電壓的穩定性和測試方便采用了USB供電的方式，通過AMS1117-3.3V將5V的電壓降壓成3.3V供電路使用。
傳感器終端節點采用用微型電池進行供電，由于系統的功耗極低，因而電池供電可持續6個月-2年，本系統采用了兩節5號電池，其供電電路較為簡單。
（6）協調器液晶顯示電路的設計采用ZLE12864A的點陣圖形液晶顯示模塊，采用串口控制方式，液晶顯示電路如圖5所示：
圖5 液晶顯示電路圖
（7）協調器串口電路的設計
上位PC機通過串口電路對從協調器傳送來的溫度數據進行實時顯示并繪制變化曲線。系統通過MAX3232來實現電平的轉換，該器件支持小電壓工作，工作電壓可在3-5V，外圍器件少且工作可靠，被廣泛地用于RS232通信標準的收發信號轉換。串口電路圖如圖6所示：
圖6 串口電路圖
（8）協調器仿真器模塊的設計
本系統的仿真器采用高性價比的smartrf04EB，smartrf04EB具有方便使用容易上手等特點，具有較穩定的仿真性能。其硬件電路如圖7所示：
圖7 仿真器連接電路圖
3 測試結果
經過測試，ZigBee無線模塊溫度傳感網絡在室內進行通信時，有效距離為70m左右，在空曠地域測試時有效通信距離為350m左右，運行穩定。經過以上的整體測試，系統基本達到了預訂的設計目標，并且具有一定的可擴展性，只要在軟件和硬件上進行相應的改動就可以增加傳感器的種類和數量，同時還可以加上路由節點來擴大通信的范圍，可以實現對多種環境參量的實時監測，具有較大的發展前景。
4 結論
以射頻芯片CC2530和DS18B20為核心，設計實現了基于ZigBee數傳模塊的溫度傳感網絡的硬件和軟件部分。基于ZigBee設計的無線溫度傳感網絡具有很多優點，特別適用于工業化監測和需要進行大范圍布置ZigBee數據采集的應用場合， 具有很強的實用價值。
CC2530外圍電路較簡單，控制方便，并且傳輸距離較遠，適合用于ZigBee組網的應用。