基于ZigBee技术的环境监测系统的开发

1、引言
　　药厂环境条件中的温度和湿度指标是其重要参数, 研制可靠且实用的温湿度监测系统显得非常重要。通常, 采用有线网络实现温湿度监测,具有布线麻烦、设备随意移动性不强等缺点。随着射频技术、集成电路技术的发展, 无线通信功能的实现越来越容易, 数据传输速率也越来越快, 并且逐渐达到可以与有线网络相媲美的水平。无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）是计算机、通信和传感器3项技术相结合的产物，近年来得到了飞速发展，已成为计算机科学领域一个活跃的研究分支[1]。而Zigbee是部署无线传感器网络的新技术, 已于2004年底推出。ZigBee技术是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee过去又称为"HomeRF Lite"、"RF-EasyLink"或"FireFly"无线电技术，目前统一称为ZigBee技术。ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。这种无线通信技术具有如下特点：决定它将是无线传感器网络的最好选择。1)功耗低；2）数据传输可靠；3）网络容量大；4）兼容性；5）安全性；6）实现成本低；7）自动动态组网、自主路由。

　　本文以Zigbee技术开发了一套符合GMP药厂要求的环境温度/湿度监测系统，该系统符合美国食品与药物管理局FDA Part 11标准。系统能对大面积的多点的温度/湿度进行监测，并将数据传输到PC机上进行数据存储与分析，并输出打印曲线，在设备异常情况下还以多种形式的报警通知相应人员。同时系统具有强大的分级管理功能，为不同阶层的用户管理提供了一个多级的管理、监控平台。

2、系统设计
2.1 ZigBee协议框架及其网络拓扑结构

　　ZigBee协议是一种低成本、低功耗、低速率嵌入式设备互相间及与外界网络通信的组网解决方案，它是ZigBee联盟基于IEEE 802.15.4技术标准物理层和媒体访问控制层(MAC层)协议对网络层协议和API进行标准化而制定的无线局域网组网、安全和应用软件方面的技术标准。ZigBee协议栈结构如图1所示。

图1 ZigBee协议框架

　　在标准规范的制订方面，主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织，两者分别制订硬件与软件标准。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订MAC与PHY（物理层）规范，在2003年5月通过802.15.4标准； ZigBee建立在802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。802.15.4仅仅定义了实体层和介质访问层，并不足以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了ZigBee联盟。

　　在网络层方面，ZigBee联盟制订可以采用星形和网状拓扑，也允许两者的组合，称为丛集树状。根据节点的不同角色，可分为全功能设备（Full-Function Device；FFD）与精简功能设备（Reduced-Function Device；RFD）。相较于FFD，RFD的电路较为简单且存储体容量较小。FFD的节点具备控制器（Controller）的功能，能够提供数据交换，而RFD则只能传送数据给FFD或从FFD接收数据。

　　
　　ZigBee协议套件紧凑且简单，具体实现的硬件需求很低，8位微处理器80c51即可满足要求，全功能协议软件需要32K字节的ROM，最小功能协议软件需求大约4K字节的ROM。

图2 ZigBee无线网络的拓扑结构

2.2 系统整体结构
　　系统整体结构按照丛集树状拓扑结构来组织，如下图3所示，由若干FFD、RFD，一个网关节点以及监控终端组成。

图3 系统整体结构示意图

2.3 无线传感器节点硬件设计
　　无线传感器网络的节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。节点的硬件原理框图如图4。处理器模块和无线通信模块采用CC2430 芯片, CC2430是一个真正的系统芯片( SoC) , 它包括了一个高性能的2.4GHz DSSS( 直接序列扩频) 射频收发器和高性能、低功耗的8051微控制器核。CC2430芯片采用0.18 um CMOS工艺生产, 工作时的电流损耗为27 mA; 在接收和发射模式下, 电流损耗分别小于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性, 特别适合无线传感器网络的应用。大大简化了射频电路的设计。传感器模块采用集成温湿度传感器SHT10。电源模块采用3V 纽扣电池。

图4 节点硬件设计

　　SHT10 用于采集周围环境中的温度和湿度, 其工作电压为2.4～5.5V, 测湿精度为±4.5%RH, 25℃时测温精度为±0.5℃。采用SMD 贴片封装, 与处理器的通信电路I2C通信协议。