基于ZigBee协议的温湿度监测系统设计与实现

环境温湿度是影响工农业生产的重要因素，而传统的温湿监测系统多以人为主体，不仅费时费力，且在某些监测系统中，危险系数也较高。近年来，通过无线传感器网络对工农业生产环境实时地监测、监控已成为行业研究的热点。由于采用了无线网络，使得数据采集系统的设计更加安全、可靠和智能化。ZigBee作为一种低功耗、低成本、易于开发和应用的无线通信技术，被广泛应用于无线数据采集系统的设计中。但实际应用中，基于ZigBee的数据采集系统仍不同程度的面临以下问题：传输距离短;可扩展性差，若终端节点增加其他用途的测量传感器，多需重新设计连接电路;为增加传输距离而引入的射频前端占用主控芯片的引脚资源等。

为实现对工农业生产环境中的温湿度进行实时、准确地监测，及时为生产策略的调整提供更多、更具价值的数据分析依据，文中设计了以CC2530和RFX2401C为射频单元、SHT 71为传感节点的ZigBee监测网络。

1 系统设计

该监测系统主要由一个直接与上位机相连的ZigBee协调器，两个SHT71传感器数据采集节点组成。为实现ZigBee数据采集网络，分别进行系统的软硬件设计：系统硬件主要负责采集周围环境的温湿度数据信息;系统软件则负责数据信息的传递与处理等功能。

2 系统硬件设计

协调器和传感器终端节点的核心为CC2530F256芯片。CC2530F256是TI公司生产的一款片上系统(System On a Chip，SOC)解决方案，应用于2.4 GHz频段，支持IEEE802.1 5.4、ZigBee和RF4CE。该芯片结合了领先的RF(Radio Frequency，RF)收发器的优良性能、工业增强型8051 MCU内核、系统内256 kB可编程闪存Flash、8 kB RAM、支持CSMA/CA功能、多种工作模式以满足低功耗系统的需求。CC2530芯片系列尺寸更小，价格普遍低于CC2430/CC2431芯片，传输距离更远，支持目前普遍使用的ZigBee-2007/PRO协议。Zig Bee 2007/PRO相对于以前的协议栈具有更好的互操作性、节点密度管理、数据负荷管理、支持网状网络等特点。同时，与CC2430相比，CC2530片上通用I/O口，均具有独立的中断请求能力，设计者可自定义中断请求引脚。基于以上优点，运用CC2530设计出的节点通信距离更远，组网性能更稳定可靠，且性价比更高，适用于系统设计。但CC2530本身具有的射频功能只适用于小功率传感网络，为增加节点的传输距离，采用RFX2401C作为射频前端，以放大输出功率。RF射频模块电路如图1所示。RFX2401C只需2个控制引脚，P1.1和P1.4，RXEN为高电平时，TXEN决定数据的收发。与采用CC2591的射频前端放大电路相比，连接、控制简单，节省引脚资源。在室外测试环境中，引入RFX2401C的ZigBee网络，通信距离平均增加了约60 m。

2.1 协调器节点硬件设计

协调器为全功能设备(Full Function Device，FFD)，是ZigBee传感器网络的中心，负责网络的组建、维护、管理及协调各传感器节点的工作。协调器节点硬件电路主要由RF射频模块、RS232串口模块和电源模块组成。射频模块如图1所示，主要负责无线传输数据，增加RFX2401C芯片以提高传输距离，P0.2、P0.3用作串口通信引脚;RS232串口模块用于协调器与上位机通信，使用SP3223E完成RS232与TTL间的电平转换，电路连接如图2所示;5 V电源通过TPS79533低压稳压器输出稳定的3.3 V工作电压，对ZigBee射频模块和SP3223E供电。

2.2 传感器节点硬件设计

传感器节点多为简化功能设备(Reduce Function Device，RFD)，其功能简单，无需进行复杂的数据处理，且接口外设较少。该节点的射频模块设计与协调器节点相同，采用的传感器为数字温湿度传感器SHT71。SHT71内部包括电容式聚合体测湿部件及能隙式测温部件、校验存储器等，与一个14位的A/D转换器和二线双向串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。默认测量分辨率为14 bit(温度)、12 bit(湿度)，在高速或超低功耗的应用中可将分辨率分别降至12 bit和8 bit。该传感器工作性能稳定、可靠，与MCU之间以二线双向串行接口方式通信，连接电路如图3所示。此外，电源引脚(Vdd，GND)之间还封装了一个100 nF的去耦滤波电容。

SCK用于MCU与传感器之间的同步通信，DATA三态门用于数据的读取。通过“启动传输”时序，完成数据传输的初始化工作，然后通过传输相应的命令指定SHT71的工作方式。测量过程为：微控制器先发一组测量指令，SHT71测量完成后，下拉DATA至低电平表示测量结束，接着传输2个字节的测量数据和1 Byte的CRC奇偶校验，其测量时序如图4所示。

实验中，电源电压为5 V，温湿传感器的分辨率分别为12和8位。由于SHT71内部温度传感器的线性度较好，