基于ZigBee的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

孫天嬌 周霞 王英翔

【摘要】 通過(guò)比較幾種常用的無(wú)線傳輸技術(shù)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種使用ZigBee技術(shù)無(wú)線通信，采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，制定了環(huán)境數(shù)據(jù)識(shí)別、獲取的系統(tǒng)方案。系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集終端和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，文章介紹了其結(jié)構(gòu)、功能及實(shí)現(xiàn)方法，對(duì)數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)的采集處理，并采用Visual C++面向?qū)ο蟮木幊趟枷?，完成了系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】 ZigBee 單片機(jī) 無(wú)線監(jiān)測(cè)

日常生活中，諸多環(huán)境對(duì)環(huán)境參數(shù)有嚴(yán)格的要求，如溫室花房、儲(chǔ)物倉(cāng)庫(kù)、儀器設(shè)備檢測(cè)室等。這類(lèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般需要設(shè)有一個(gè)或者多個(gè)控制中心，配備大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，分散的采集點(diǎn)需要通過(guò)一定的通信手段來(lái)實(shí)現(xiàn)與中心控制單元間的數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)。本文基于ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種環(huán)境參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)的無(wú)線采集及監(jiān)測(cè)。

一、ZigBee與其他短距離通信技術(shù)的對(duì)比

1.1 藍(lán)牙（BlueTooth）

藍(lán)牙的工作頻率為2.4GHz，有效范圍約10m。它對(duì)語(yǔ)音和特定網(wǎng)絡(luò)提供支持，需要協(xié)議棧提供250kB系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，增加了系統(tǒng)成本和集成復(fù)雜性。藍(lán)牙的局限性在于只能配置7個(gè)節(jié)點(diǎn)，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用。

1.2 WiFi（Wireless Fidelity，IEEE 802.11）

WiFi的工作頻率為2.4GHz。IEEE802.11的常用版本包括a（5.8GHz，帶寬為54Mbps）、b（2.4GHz，帶寬為11Mbps）、g（2.4GHz，帶寬為22Mbps）。它的局限性在于功耗較大，不間斷使用需要配備充電設(shè)備。

1.3 IrDA（Infrared Data Association）

IrDA利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，其標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線傳輸速率已逐步發(fā)展到4Mbps、16Mbps。支持它的軟硬件技術(shù)目前都很成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備上被廣泛使用。它具有體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用、成本低廉的特點(diǎn)。IrDA的局限性在于只能連接兩臺(tái)設(shè)備，且存在有視距角度等問(wèn)題。

1.4 ZigBee

ZigBee（IEEE802.15.4）使用2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。一個(gè)ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)中最多可以有254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)可以包括儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備，使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。同時(shí)，它的技術(shù)功耗低，被業(yè)界認(rèn)為是最適合應(yīng)用在工控場(chǎng)合的無(wú)線方式。與以上幾種短距離無(wú)線通信技術(shù)相比，ZigBee具有如下特點(diǎn)：（1）功耗更低；（2）成本低；（3）網(wǎng)絡(luò)容量大；（4）工作頻段靈活；（5）可靠。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)各節(jié)點(diǎn)處的溫度傳感器、濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器等采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)范圍的模擬電壓信號(hào)，然后利用單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，最后通過(guò)ZigBee通信模塊將數(shù)據(jù)由天線發(fā)出，由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的ZigBee通信模塊接收，計(jì)算機(jī)完成監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)至PC機(jī)內(nèi)。

系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三部分構(gòu)成。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心：由計(jì)算機(jī)和相關(guān)的ZigBee模塊組成，ZigBee模塊通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)相連。ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和給其它終端節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，并作為無(wú)線接收端讀取傳感器的測(cè)量值。

前端數(shù)據(jù)采集：每個(gè)終端采集點(diǎn)由傳感器、單片機(jī)、ZigBee等模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)采集并上傳數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶的需要，可靈活配置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)中繼：根據(jù)實(shí)際環(huán)境的需要，設(shè)置相應(yīng)個(gè)數(shù)的路由節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，完成遠(yuǎn)距離通信。

基于ZigBee的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，其他所有節(jié)點(diǎn)之間與協(xié)調(diào)器相連）、樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（一些節(jié)點(diǎn)一次經(jīng)過(guò)另外一些節(jié)點(diǎn)才能到達(dá)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器）和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（無(wú)須主協(xié)調(diào)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間分享路由職責(zé)，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

普通的溫室、倉(cāng)庫(kù)、實(shí)驗(yàn)室等環(huán)境結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，模塊的數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)、距離近、無(wú)障礙物，可使用星狀結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示；若采集節(jié)點(diǎn)距離協(xié)調(diào)器較遠(yuǎn)，其數(shù)據(jù)傳輸可通過(guò)添加中繼路由節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，即使用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示；若采集節(jié)點(diǎn)多且分布廣、模塊的傳輸能力不足、現(xiàn)場(chǎng)障礙物過(guò)多，使用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較為可靠，如圖2（c）所示。

三、前端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、單片機(jī)處理模塊、ZigBee通信模塊、雙公頭適配器等硬件構(gòu)成。傳感器模塊采用LT系統(tǒng)傳感器，可測(cè)量溫度、濕度、光照強(qiáng)度等；單片機(jī)處理模塊使用STC系列單片機(jī)；ZigBee通信模塊使用XBee/XBee Pro系列套件；由于單片機(jī)與XBee/XBee Pro模塊的I/O口均為母口，使用雙公頭適配器連接二者實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

以單個(gè)節(jié)點(diǎn)為例，節(jié)點(diǎn)的硬件連接示意圖及數(shù)據(jù)流圖如上圖3所示，圖中LT傳感器的三個(gè)輸出引腳與單片機(jī)的ADC0、ADC1、ADC2輸入相連接，分別對(duì)應(yīng)溫度、濕度、光照強(qiáng)度，傳感器輸出0～5V標(biāo)準(zhǔn)電壓，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換，輸出電壓值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。單片機(jī)的輸出通過(guò)串口連接到ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的UART接口上，將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量通過(guò)天線發(fā)出，通過(guò)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)送至與上位機(jī)PC相連接的協(xié)調(diào)器模塊，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)中采用的主要硬件模塊如下：

3.1 ZigBee無(wú)線通信模塊

XBee/XBee Pro為2.4GHz無(wú)線通信接口，支持ZigBee協(xié)議棧，模塊功耗僅為3.1mW（+5dBm）。如下圖4所示是XBee Pro模塊的引腳排列圖，該模塊有20個(gè)引腳。RS232接口電路板的引腳可連接到VCC、GND、DOUT和DIN引腳。其中DIN是信號(hào)輸入引腳，可作為UART數(shù)據(jù)輸入，通常與處理器的UART接收端TX相連；DOUT為信號(hào)輸出引腳，可作為UART數(shù)據(jù)輸出，通常與處理器的UART接收端RX相連。

圖5 XBee/XBee Pro模塊的UART內(nèi)部數(shù)據(jù)控制流程

當(dāng)串行數(shù)據(jù)通過(guò)DIN引腳進(jìn)入XBee/XBee Pro模塊后，數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在DI緩沖器中，直到被發(fā)送器通過(guò)天線發(fā)送出去；當(dāng)RF數(shù)據(jù)由天線接收后，接收數(shù)據(jù)進(jìn)入DO緩沖器，并通過(guò)串口發(fā)送到主機(jī)，直到被處理。在一定條件下，模塊可能無(wú)法立即處理在串位接收緩沖中的數(shù)據(jù)。如果大量的串行數(shù)據(jù)發(fā)送到模塊，可能需要使用CTS流控以避免串行接收緩沖溢出。

3.2 傳感器

本系統(tǒng)所使用的LT系統(tǒng)傳感器，是專門(mén)針對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)量的傳感器。傳感器輸出3路0～5V的模擬電壓信號(hào)，信號(hào)分別與溫度、濕度和光照強(qiáng)度成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.3 單片機(jī)

采用STC12C5A60S2系列單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器測(cè)量值的轉(zhuǎn)換處理，該單片機(jī)指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換。因而每個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)均可接入8路測(cè)量值，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行傳感器的增減。

3.4 雙公頭適配器

由于單片機(jī)模塊和XBee/XBee Pro模塊上的RS232接口均為母口，主要接口Pin2（RXD）、Pin3（TXD）、Pin5（CND）。其間用一塊兩端都是公口（公對(duì)公）的適配器相連，示意圖及內(nèi)部接線圖如下圖6所示：

圖6 雙公口適配器及其內(nèi)部引腳圖

如上圖6所示，將P1端與P2段的發(fā)送與接收引腳交叉相連；P1端的5腳（地）與P2端的5腳（地）直連。

四、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)配置及軟件設(shè)計(jì)

4.1 ZigBee模塊的配置

ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分為三種：協(xié)調(diào)器，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和給其它終端節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址；中繼路由器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；終端節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)的采集及上傳。

首先使用與XBee/XBee Pro模塊配套的X-CTU軟件對(duì)模塊進(jìn)行相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置：協(xié)調(diào)器，配置為ZIGBEE COORDINATOR API/AT模式；路由器配置為ZIGBEE ROUTER API/AT模式，終端節(jié)點(diǎn)配置為ZIGBEE END DEVICE API/AT模式。AT模式即透?jìng)髂Ｊ剑K的串口一直工作在傳輸模式下，將接收數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送至目標(biāo)地址。API模式，是以包含地址和數(shù)據(jù)的命令幀的形式發(fā)送。AT方式易于查詢，可以在X-CTU軟件中方便的查詢到所有節(jié)點(diǎn)，方便管理，而API方式有返回碼，有利于數(shù)據(jù)的可靠性傳輸。無(wú)論是AT方式還是API方式都可以在所構(gòu)建的同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通信。

再將配置好的協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)分別與PC機(jī)和數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)串口相連。各模塊工作時(shí)，須使用統(tǒng)一的串口參數(shù)，一般設(shè)置為XBee/XBee Pro模塊默認(rèn)的串口參數(shù)9600-8-n-1。以終端節(jié)點(diǎn)為例，設(shè)置界面如圖7所示，終端節(jié)點(diǎn)及路由節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)地址設(shè)置為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的源地址。（圖7）

4.2 前端數(shù)據(jù)采集的程序

前端數(shù)據(jù)采集的程序用KeilC51編寫(xiě)主要用于采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定時(shí)無(wú)線發(fā)送。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，包括串口初始化程序、定時(shí)器初始化程序等，其流程如圖8所示。首先進(jìn)行單片機(jī)的初始化，然后進(jìn)行定時(shí)器的初始化，定時(shí)時(shí)間由用戶選擇性設(shè)置，定時(shí)中斷發(fā)生時(shí)由單片機(jī)通過(guò)串口向通信模塊發(fā)送傳送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，發(fā)送完畢，等待收到數(shù)據(jù)，收到后則送往PC顯示，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新。模塊軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖8。

4.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心上位機(jī)程序

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心上位機(jī)上的接收器的程序用面向?qū)ο蟮目梢暬Z(yǔ)言VC++編寫(xiě)，主要用于接收現(xiàn)場(chǎng)終端采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的無(wú)線數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，最后將接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中。其接收程序的流程圖如圖9所示。

實(shí)際應(yīng)用中，用戶可根據(jù)需要，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)置數(shù)據(jù)入庫(kù)存儲(chǔ)，可便于用戶查看或調(diào)用歷史測(cè)量數(shù)據(jù)；或設(shè)定預(yù)警處理，若溫度超過(guò)用戶設(shè)定的上限值，發(fā)送自動(dòng)報(bào)警等，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并糾正。

五、系統(tǒng)測(cè)試及分析

系統(tǒng)組建完成后，進(jìn)行了系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試中，系統(tǒng)配置了兩個(gè)溫度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)1放置在自然室溫環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)2放置在恒溫15℃的環(huán)境下。在時(shí)間段8：30-17：00每隔半小時(shí)采集一組數(shù)據(jù)，得溫度變化曲線圖。節(jié)點(diǎn)1處放置了比對(duì)溫度計(jì)，每隔半小時(shí)進(jìn)行一次手動(dòng)記錄，得到溫度變化曲線與節(jié)點(diǎn)1的測(cè)量記錄進(jìn)行對(duì)比。

圖10（a） 節(jié)點(diǎn)1溫度變化圖10（b） 溫度計(jì)測(cè)量值 圖10（c）節(jié)點(diǎn)1溫度變化

由圖（a）（b）可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)1的溫度記錄與溫度計(jì)測(cè)量值相近，溫度變化符合秋季實(shí)際溫度情況，溫度隨時(shí)間變化穩(wěn)定；由圖（c）可見(jiàn)，節(jié)點(diǎn)2的溫度變化基本在15℃附近，符合恒溫條件。說(shuō)明無(wú)線通信暢通，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

六、結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了一種基于ZigBee的環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：模塊化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、網(wǎng)絡(luò)組態(tài)靈活、功耗低、可靠性高、安裝方便等。用戶可以根據(jù)需要自行增減采集節(jié)點(diǎn)；ZigBee終端節(jié)點(diǎn)支持多種數(shù)據(jù)傳輸端口（RS232、RS485、USB等），使得多種傳感器、控制器可與之直接相連接。系統(tǒng)控制界面友好，易于操作。因此本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高的實(shí)用性和推廣價(jià)值，可在溫室花房、儲(chǔ)物倉(cāng)庫(kù)、儀器設(shè)備存儲(chǔ)室及其他眾多領(lǐng)域得到良好的運(yùn)用。

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