基於ZigBee技術的環境監測係統設計

作者: 伊人影院科技集團 / 時間: 2019-06-11 17:38:54
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基於ZigBee技術的環境監測係統設計

摘要:以CC2530和zstack協議棧為平台,給出了基於ZigBee技術的溫度、光照度無線傳感器網絡的設計方法,同時對協議棧的運行機製、組網過程及應用層的數據采集進行了分析與設計。實驗結果表明,該設計方法可行,各節點工作良好,能成功實現多跳網絡的數據采集。

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0 引言

各行各業尤其是工農業生產、環境監測等領域,都對無線數字監測係統提出了極大的需求和更高的要求。無線傳感網的迅速發展並逐漸走向成熟,使得這一需求得到了較好的滿足。基於ZigBee技術的無線傳感網具有自組織、低功耗、以數據為中心、抗毀性強和無需架設網絡設施等優勢,可以在外界環境十分惡劣的條件下,完成其他監測手段無法完成的任務,代表了數字監測的一個新的發展方向。本文以TI公司的CC2530和zstack協議棧為平台,給出了基於ZigBee技術的溫度及光照度無線傳感器網絡的設計方法。

1 係統總體設計

本文設計的基於ZigBee技術的無線傳感器網絡由一個協調器節點、若幹路由節點和眾多傳感節點組成,圖1所示是其係統總體結構。其中,傳感節點負責對環境溫度等數據的監測,然後通過路由節點以多跳方式將數據發送給協調器節點,協調器節點負責將數據上報給監測中心PC機。

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2 節點硬件設計

根據節點在係統中的應用不同,可分為傳感節點、路由節點和協調器節點。各節點的功能不盡相同,可分為數據采集、數據處理、無線通信、能量供應和串口通信等功能。各功能模塊采用模塊化的方法設計,這樣可以實現各模塊的並行設計、調試,縮短開發周期,同時也便於後期更換和擴展傳感器,從而方便後期維護或移植到其他監測領域。

2.1 ZigBee模塊

本設計中的各節點選用CC2530芯片作為ZigBee模塊,實現數據處理及ZigBee無線通信功能。CC2530內部集成了一個高性能2.4 GHz射頻收發器和一個增強型8051微處理器,最大256 KB可編程FLASH、8 KB的RAM並提供了一套廣泛的外設集,為2.4 G IEEE 802.15.4和ZigBee應用提供了一種SOC解決方案。該模塊的電路如圖2所示,圖2中包含了最小係統、射頻前端及I/O接口電路。

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2.2 數據采集模塊

各傳感節點通過一線製數字溫度傳感器DS18B20和CDS光敏電阻5 516對環境溫度、光照度進行數據采集,圖3所示是數據采集模塊電路圖。其中,DS18B20可實現-55~+125℃測量範圍及最高12位測溫分辨率,測溫精度可達±0.062 5℃,供電電壓範圍為+3~+5.5 V。本設計中供電電壓選擇來自LD1117穩壓芯片的+3.3 V輸出,數據線DQ和CC2530芯片的P2.0相連實現一線接口,如圖3(a)所示。5516光敏電阻的亮電阻為5~10 kΩ,暗電阻為500 kΩ,電路如圖3(b)所示,輸出電壓為0~2 V,送至P0.5進行AD轉換。

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3 節點軟件設計

節點軟件是在TI公司的ZigBee協議棧——Z-stack基礎上開發設計的。該協議棧支持ZigBee網絡的建立和加入、自組網、多跳傳輸和動態網絡拓撲。

3.1 Z-stack協議棧的運行機製

OSAL是TI公司開發的用於Z-Stack協議棧的一個輪轉查詢式的操作係統。OSAL把優先級放在最重要的地位,優先級高的任務中的所有事件都具有很高的優先級,隻要優先級高的任務有事件沒有處理完,就一直處理,直到所有事件都得到處理,才去查詢下一個任務的事件。另外,即使當前在處理的任務中有兩個以上事件等待處理,處理完一件後,也要回頭再去查詢優先級更高的任務。隻有在優先級更高的任務沒有事件要處理的情況下,才會處理原來任務優先級第二高的事件。如果此時發現優先級高的任務有了新的事件要處理,300美元對比特幣,則立刻處理該事件。通過這種調度方式,就賦予了優先級高的任務最大的權利,盡可能保證高優先級任務的每一個事件都能得到最及時的處理。

3.2 ZigBee網絡的組網過程

ZigBee網絡的組網過程包括網絡建立和加入網絡兩個方麵,該部分是通過Z-Stack協議棧各層之間的原語通信實現的。協調器節點負責網絡的參數配置和建立,應用層通過ZDO層調用網絡層函數NLME NetworkFormationRequest(),在指定信道上進行主動掃描,即發送MAC層信標請求命令,探測該信道上已存在的網絡;然後網絡層根據主動掃描結果,設置PAN ID,網絡地址,擴展PAN ID等參數;最後通知各應用端點一個新的ZigBee網絡已經建立起來了口其網絡建立過程如圖4所示。

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