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(yī)療監(jiān)護環(huán)境監(jiān)測和遠程工業(yè)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(wǎng)絡的支持。為了滿足社會對無線傳感器技術的需求，出現(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)、家居智能控制和工業(yè)自動化控制領域來，這些技術難以滿足人們的需求, ZigBee數(shù)傳技術的出現(xiàn)帶來了革命性的變革。
由于使用成本低，技術難度小，ZigBee數(shù)傳模塊被廣泛地應用工業(yè)遠程控制和智能家居領域。無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡設備的工作壽命更長。
1 無線傳感網(wǎng)的構(gòu)成
ZigBee無線模塊無線傳感網(wǎng)（RSN）配備了三種類型的節(jié)點：傳感器節(jié)點（sensor node）、匯聚節(jié)點（syntaxesnode）和管理節(jié)點（management node）。將許多的帶有射頻功能的節(jié)點任意地分布在被監(jiān)控區(qū)域之內(nèi)，然后自動地組建一個無線網(wǎng)絡。當數(shù)據(jù)經(jīng)過節(jié)點的預處理后，再傳輸?shù)狡渌墓?jié)點，然后再轉(zhuǎn)到匯聚節(jié)點，最后到達管理節(jié)點。
圖1 無線傳感網(wǎng)（RSN）組成
該傳感器節(jié)點既可以作為終端設備也可作為當路由設備，匯聚節(jié)點相對其它節(jié)點來說具有更強的功能，它能夠轉(zhuǎn)換協(xié)議使得管理節(jié)點和傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)通信，并且保證了管理節(jié)點發(fā)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(wǎng)絡節(jié)點，它一般包括ZigBee數(shù)據(jù)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(wǎng)絡節(jié)點結(jié)構(gòu)
主要包括：
（1）ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊：包括傳感器和AD轉(zhuǎn)換模塊，主要用于獲取數(shù)據(jù)信息
（2） 數(shù)據(jù)存儲模塊：包括處理器單元和存儲器，進行數(shù)據(jù)的存儲轉(zhuǎn)發(fā)工作。
（3）數(shù)據(jù)傳輸模塊：ZigBee無線模塊，主要是和其它節(jié)點交換數(shù)據(jù)。
（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(tǒng)。
2 系統(tǒng)軟硬件設計與實現(xiàn)
本文基于ZigBee數(shù)傳模塊設計的的無線溫度傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)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(jié)合起來，實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的遠程監(jiān)控。
（1）網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，主要包括了三個部分，分別是：一個協(xié)調(diào)器、三個終端節(jié)點和上位PC機。終端節(jié)點上加上DS18B20和蜂鳴器，將終端放置于監(jiān)測區(qū)域的不同位置，通過DS18B20進行ZigBee數(shù)據(jù)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(fā)出報警；協(xié)調(diào)器負責搜索并組建Zigbee數(shù)傳網(wǎng)絡，同時完成傳感終端與上位PC機間的數(shù)據(jù)傳輸；PC機負責顯示接收到的溫度數(shù)據(jù)并繪制出平均溫度的實時變化曲線圖。
（2）系統(tǒng)實現(xiàn)過程描述
中心板上電后，首先自啟動為協(xié)調(diào)器，搜索信道組建網(wǎng)絡成功后，自動進入允許綁定狀態(tài)的自啟動模式。在該模式下，LED狀態(tài)指示節(jié)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(xié)調(diào)器并自動處于允許綁定狀態(tài)。終端節(jié)點上電后自動發(fā)送加入網(wǎng)絡的請求，它會試圖發(fā)現(xiàn)一個合適的協(xié)調(diào)器并且將自己和協(xié)調(diào)器綁定起來，在本系統(tǒng)中，采用星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)只存在一個協(xié)調(diào)器，因而終端節(jié)點能夠自動加入網(wǎng)絡并和協(xié)調(diào)器建立綁定，此時它的LED狀態(tài)指示節(jié)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(jù)程序中設定的發(fā)送報告周期時間周期性地將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，此時協(xié)調(diào)器的LED狀態(tài)指示節(jié)點中的LED2會慢速閃爍。
（3）系統(tǒng)硬件總體設計
主協(xié)調(diào)器的硬件系統(tǒng)包括了供電模塊、LCD顯示人機交互模塊、LED節(jié)點狀態(tài)指示模塊、串口轉(zhuǎn)USB模塊、仿真器模塊。主協(xié)調(diào)器的硬件整體系統(tǒng)設計框架如圖3所示。
圖3 主協(xié)調(diào)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(shù)據(jù)，并向傳感器節(jié)點傳輸控制信息，并且負責與PC機進行數(shù)據(jù)交換；LCD顯示模塊和PC上位機負責顯示傳感節(jié)點發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)，方便進行人機交互；LED節(jié)點狀態(tài)顯示模塊用來指示節(jié)點的工作狀態(tài)，方便系統(tǒng)的測試和使用；串口模塊負責轉(zhuǎn)換CC2530模塊和PC機之間的通訊信號。本系統(tǒng)中采用USB供電方式進行供電。
（4）傳感器節(jié)點設計
傳感器節(jié)點硬件系統(tǒng)包括供電模塊、溫度測量傳感器模塊、蜂鳴器報警模塊、LED節(jié)點狀態(tài)指示模塊和CC2530通信模塊。傳感器節(jié)點硬件整體系統(tǒng)設計實現(xiàn)框架如圖4所示。
圖4 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)示意圖
溫度測量傳感器采用DS18B20，負責采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)；蜂鳴器報警模塊負責當溫度數(shù)據(jù)超過或低于限定值時發(fā)出報警信號；LED節(jié)點狀態(tài)顯示模塊用來指示節(jié)點的工作狀態(tài)，方便進行系統(tǒng)的測試和使用。
（5）供電電路的設計
本系統(tǒng)中為了保證電壓的穩(wěn)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(jié)點采用用微型電池進行供電，由于系統(tǒng)的功耗極低，因而電池供電可持續(xù)6個月-2年，本系統(tǒng)采用了兩節(jié)5號電池，其供電電路較為簡單。
（6）協(xié)調(diào)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(xié)調(diào)器串口電路的設計
上位PC機通過串口電路對從協(xié)調(diào)器傳送來的溫度數(shù)據(jù)進行實時顯示并繪制變化曲線。系統(tǒng)通過MAX3232來實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)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(fā)信號轉(zhuǎn)換。串口電路圖如圖6所示：
圖6 串口電路圖
（8）協(xié)調(diào)器仿真器模塊的設計
本系統(tǒng)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(wěn)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(jié)果
經(jīng)過測試，ZigBee無線模塊溫度傳感網(wǎng)絡在室內(nèi)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(wěn)定。經(jīng)過以上的整體測試，系統(tǒng)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(shù)量，同時還可以加上路由節(jié)點來擴大通信的范圍，可以實現(xiàn)對多種環(huán)境參量的實時監(jiān)測，具有較大的發(fā)展前景。
4 結(jié)論
以射頻芯片CC2530和DS18B20為核心，設計實現(xiàn)了基于ZigBee數(shù)傳模塊的溫度傳感網(wǎng)絡的硬件和軟件部分。基于ZigBee設計的無線溫度傳感網(wǎng)絡具有很多優(yōu)點，特別適用于工業(yè)化監(jiān)測和需要進行大范圍布置ZigBee數(shù)據(jù)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(wǎng)的應用。