一款基于Zigbee的温度湿度监测系统设计

摘要：根据一些环境温度湿度实时监测的需要，采用首个符合Zigbee标准的射频芯片，以SHT10为温湿度传感器来设计实现温度湿度的数据采集与传输。利用TI公司的Z—Stack协议栈在IAB开发环境下，建立一个无线传感器网络。网络协调器通过RS232串口与PC通信，实现对温度湿度的无线智能监测。

关键词：Zigbee;无线网络;CC2430;温度湿度监测

在生命科学设施、计量校准实验室和电子制造环境，温度和湿度往往需要监测和报警显示，以保障产品和工艺;在农业种植、环境监测和我们的日常生活中，要时刻关心环境变化，只有在适宜的温度和湿度下，才能获得更大的效益。以往的测温测湿系统都是通过CAN或RS485等有线方式传送数据，线路复杂布线困难，成本高，老化、容易受雷击等问题影响了其可靠性。另外，像温度、湿度传感器这样的设备并不需要很大的功耗和数据传输速率。Zigbee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用。

Zigbee技术有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现网络通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，它们的通信效率非常高。无需布线，可以按照需要增减温度湿度采集节点，自组织网络，并且节点功耗低，生命周期长，使用灵活方便。因此，采用Zigbee技术来设计温度湿度监测系统，具有明显的实用价值和现实意义。

1 Zigbee技术及协议栈

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低成本无线网络技术，是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台。Zigb ee协议栈对那些涉及Zigbee的层予以定义。IEEE 802.15.4标准定义了最下面的两层：物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)。Zigbee联盟提供了网络层和应用层框架的设计，其中应用层的框架包括了应用支持子层(APs)、设备对象层(ZDO)和由制造商制订的应用对象。Zigbee支持的设备类型包括FFD(全功能设备)和RFD(半功能设备)。FFD可以和FFD和RFD通信，可以为PAN协调器，路由器和终端设备。RFD只能和FFD通信，只能作为终端设备。在IEEE802.15.4物理层和MAC层基础上，Zigbee网络层提供了一些功能，比如动态网络的建立、地址、路由和发现

一跳的邻居节点等。

2 系统的组成

该监测系统由Zigbee协调器、Zigbee路由器、若干个SHT10温湿度传感器组成的树状网络结构图。其中，传感器节点分布于需要监测的区域，负责对数据的感知和处理，并通过无线射频信号发射给路由器，再通过路由器的转发将数据传给协调器，最终通过RS232串口将数据送入监控主机，监控主机放在监控室，负责数据存储和对数据的进一步处理。Zigbee网络中，每个设备拥有两个地址：一个是64位IEEE物理地址，每个节点拥有全球唯一的MAC地址，另一个是所在PAN里独有16位网络地址，也称短地址。网络地址是在节点加入网络时，由其父节点分配给它的。协调器在建立网络后使用0x000作为自己的短地址。路由器和终端加入网络后，使用父设备给它分配的短地址来通讯。工作人员无需到现场，通过查看网络地址即可知道哪一点传来的数据，这样既方便快速又可集中查询、管理数据。

3 硬件设计

为了便于系统功能扩展，节点采用模块化设计，分为核心板、底板、传感器模块3个部分。核心板负责传感器的驱动以及数据的传输工作。它的主控芯片是CC2430[4]，是一款真正符合IEEE802.15.4标准的片上Zigbee产品，具有超低功耗、高灵敏度、出众的噪声及抗干扰能力。核心板即为CC2430单片机的最小系统板，它将CC2430单片机的P0口、P1口和P2_0-P2_2全部引出，满足模块化设计的需求。由于CC2430在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。内部集成了大量必要的电路，因此采用较少的外围电路即实现信号的收发功能，如图1所示。

底板一方面连接核心板与传感器模块，在传感器与芯片之间进行数据传输，另一方面为整个模块供电和节点与PC机之间通信的接口，主要由电源电路、单片机接口电路、复位电路等组成。系统中CC2430芯片需要的电源是3.3 V直流稳压电源，而我们常用的电源电压是5 V，所以需要用DC—DC直流转换器1117—3.3将5 V直流电转换为3.3 V直流电，以供系统正常工作需求。电源模块电路如图2所示。

传感器模块采用温湿度传感器SHT10，负责采集温度、湿度数据，其工作电压为2.4～5.5 V，测湿精度为±4.5%RH，25℃时测温精度为±0.5℃。由于传感器SHT10既可以采集温度数据也可以采集湿度数据。它用两条串行线