论文部分内容阅读
[摘 要]环境的中的温湿度与人们的日常生活与工农业生产存在非常紧密的联系，如家居生活，大棚蔬菜种植，仓库储存以及企业生产等都与环境温湿度息息相关，粮食存储过程中湿度过大会发生霉变，过温、过湿的环境会对半导体及精密仪器的性能造成很大影响。同时，温度的变化直接影响人们的生活质量。但是温湿度监测过程中通常存在监测点分散、需远程控制等困难。为此，文中提出基于ZigBee无线网络技术的新型无线温湿度检测系统，该系统不仅功率较低，而且经济投入较少。系统中的通过温湿度复合传感器芯片DHT11进行数据采集，并进行有效校准，之后进行信号输出，CC2530射频芯片是基于ZigBee标准的数据传输单元，基于IAR开发环境进行编写和编译传感器的节点程序，来对温湿信号以及传感器节点中间的数据进行无线传感器传输。
[关键词]ZigBee；无线传感；温湿度监测系统；设计
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）13-0061-01
随着科学技术的不断提升，物联网技术也获得了极大的发展，同时与物联网技术相关的无线传感技术、RFID技术也获得了很好的发展。相应的各种无线传感器网络协议标准也呈现出规范化的发展趋势，尤其是ZigBee2007协议得到了广泛的推广与应用。尤其是ZigBee这种无线双向通信技术，不仅功耗较低，而且低速率以及复杂程度不高，而且距离短，成本低等特点，日渐成为人们关注的焦点。基于ZigBee技术为前提，开发的安防系统、智能公交系统、电子门锁、以及智能家居系统、智能牧场等成为业内的热点。文中笔者结合实践，对基于ZigBee无线传感温湿度监测系统设计展开探讨，旨在为相关工作的开展提供参考。
1、ZigBee技术的简介
ZigBee技术作为一种双向无线通讯技术，具有不仅功耗地下，而且速率低，复杂程度不高，传输距离短以及成本不高等特点。在不同短距离电子设备以及低功耗设备范围内予以数据传输中发挥着重要的作用，同时在周期性数据传输以及间歇性数据传输和时间反应较低的数据传输中发挥着重要的作用。综合分析，ZigBee技术自身的特点主要表现在以下几个方面：
（1）可靠性高
ZigBee规范是在ZigBee联盟下制定的，在制定之初便将不确定因素对数据传输的影响进行了充分的考虑，通过一系列的措施来对数据传输的可靠性进行提高。主要涉及短距离无线通信协议IEEE 802.11.5（物理层兼容）以及DASS技术和OQPSK技术的应用，数据的冲突主要通过CSMA―CA技术来进行应对；数据是否正确主要通过16-bits CRC来进行保证；数据传输的目的地址通过借以数据传输的应答方式进行保证，为了确保各传输路径都能在源地址的基础上向目的地址进行传输，通过星型网络来保证。
（2）低成本、低功耗
基于8-bit MCU应用ZigBee技术，现如今SOC 芯CC2530TI（兼容ZigBee 2007协议）由TI公司所推出，其价格区间在20-35元左右，网络节点的建构通过PCB天线以及滤波电路（由组容器构成）。
（3）高安全性
循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能是由ZigBee所提供，不仅可以进行鉴权同时还可进行认证，算法主要为AES-128加密算法，能够比较灵敏的对不同应用进行安全灵活属性确定。
（4）时延短
在通信过程中休眠状态的到向激活状态的通信时延比较短，搜索设备（典型）为30ms的时延，为15ms的休眠激活时延，活动设备为15ms信道接入时延。所以在眼球苛刻的时延无线通信中ZigBee技术应用优势更加的突出。
2、总体温湿度采集系统的设计方案
2.1设计温湿度采集系统框架图
ZigBee无线网络的建立基于协调器实现，在该网内加入终端节点，对温湿度数据进行周期性的采集，同时把这些数据进行协调器发送，将这些传输的数据接收之后，利用RS232串口进行用户PC机传输。
2.2设计无线传感网络节点
由于应用的不同，组成传感器的节点也存在很大的不同，然而在结构上其实都是非常一样的。不仅包括采集以及处理、传输还有电源等几个单元所构成。
3、温湿度采集系统的节点设计
3.1协调器的程序设计
ZigBee网络的组建以及在网络中加入终端节点，同时对其进行绑定，向用户PC机传输温湿度数据等都需要协调器来完成。加电后的协调机，第一进行信道搜索，对信道进行选定之后，进行初始化以及网络任务的组建与完成，主要涉及设定PAN ID以及协调器的地址以及别的网络参数等。如果网络中加入节点之后，倘若都是正确的信息发送，网络中则在协调器允许下加入，同时进行16位的短地址进行各节点分配。倘若出现绑定节点对协调器发出请求，则应当积极进行相应。数据接收到之后协调器应当利用串口RS232进行用户PC机数据传送，对相关结果进行有效的测量，验证其是否与设计要求相符合。
3.2终端节点的程序设计
网络加入以及绑定请求和测量数据与数据的发送都需要通过终端节点来完成。
加电之后的终端节点，第一应当初始化硬件系统，主要初始化CC2530以及微处理器，之后设置节点参数，使之寄存器和设置工作模式等。上述完成之后，信息加入可通过终端节点进行网络搜索，同时将请求发出，如果网络信息在协调器的允许范围之内，并得到相关允许，对绑定的按钮进行按动，请求协调器进行绑定。在协调器中将终端节点地址信息设置与绑定表中内。形成协调器与终端节点的联系性，接着进入到事件循环模式，通过查询定时的发现是否存在事件出现，应用层以及网络层和硬件以及接入层等是时间循环的主要组成，都应当进行相应时间的查询。文中终端节点是通过设置定时器，对其进行定时启动，来采集温湿度数据，同时将这些数据进行包装进行发送无事件情况出现时，处于低耗能的系统运行状态。
4、温湿度采集系统的测试
4.1实验平台的组建
协调器（1个）以及终端节点（4个）和PC机（1个）共同组成硬件平台。
ZigBee协议栈以及集成化的IAR软开发环境共同组成软件平台。
针对协调器供电持续性的进行，利用电池对终端节点进行供电。基于实验的具体实际，协调器仅仅和终端节点进行通信。IAR软件安装于PC机上，打造一个系统平台，CC2530下载数据通过JATG仿真接口来完成，PC機与协调器的连接利用串口来实现，将数据采集之后并向PC机进行传输。
4.2数据传输及显示测试结果
通过绑定在协调器以及终端节点内建立相应的关系，温湿度采集系统可通过终端节点进行启动，采集数据的过程中是周期性的采集，同时进行协调器发送数据，再经过串口向PC机发送数据，并将这些数据进行显示。
5、结论
文中在ZigBee无线网络技术的前提下，将分布式温湿度检测系统的设计提出，该设计不仅功耗较低，而且成本投入较少，通过芯片DHT11（温湿度复合传感），实现对温湿度数据的全面采集，数据传输过程利用CC2530射频芯片来完成，该芯片满足了ZigBee标准，能够无线的监测环境的温湿度，通过实践，在环境温湿度数据采集过程中，该系统返回这非常大的作用，优势明显。
参考文献
[1]庞娜，程德福.基于ZigBee无线传感器网络的温室监测系统设计[J].吉林大学学报（信息科学版），2016（1）：57.
[2]刘雅举，蔡振江，张莉，等.基于射频芯片的ZigBee无线传感器网络节点的设计[J].微计算机信息，2015，（8）：167-168.
[3]南忠良，孙国新.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J].电子设计工程，2016，7.
[4]代忠 樊晓光 万明，等.基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信节点设计[J].传感器世界，2016，（5）：41-44.
[5]徐瑞娜 胡方明 仁爱锋.Zigbee无线传感器网络在远程环境监测中的应用设计[J].电子元器件应用2016，12（7）：38-42.
[关键词]ZigBee；无线传感；温湿度监测系统；设计
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）13-0061-01
随着科学技术的不断提升，物联网技术也获得了极大的发展，同时与物联网技术相关的无线传感技术、RFID技术也获得了很好的发展。相应的各种无线传感器网络协议标准也呈现出规范化的发展趋势，尤其是ZigBee2007协议得到了广泛的推广与应用。尤其是ZigBee这种无线双向通信技术，不仅功耗较低，而且低速率以及复杂程度不高，而且距离短，成本低等特点，日渐成为人们关注的焦点。基于ZigBee技术为前提，开发的安防系统、智能公交系统、电子门锁、以及智能家居系统、智能牧场等成为业内的热点。文中笔者结合实践，对基于ZigBee无线传感温湿度监测系统设计展开探讨，旨在为相关工作的开展提供参考。
1、ZigBee技术的简介
ZigBee技术作为一种双向无线通讯技术，具有不仅功耗地下，而且速率低，复杂程度不高，传输距离短以及成本不高等特点。在不同短距离电子设备以及低功耗设备范围内予以数据传输中发挥着重要的作用，同时在周期性数据传输以及间歇性数据传输和时间反应较低的数据传输中发挥着重要的作用。综合分析，ZigBee技术自身的特点主要表现在以下几个方面：
（1）可靠性高
ZigBee规范是在ZigBee联盟下制定的，在制定之初便将不确定因素对数据传输的影响进行了充分的考虑，通过一系列的措施来对数据传输的可靠性进行提高。主要涉及短距离无线通信协议IEEE 802.11.5（物理层兼容）以及DASS技术和OQPSK技术的应用，数据的冲突主要通过CSMA―CA技术来进行应对；数据是否正确主要通过16-bits CRC来进行保证；数据传输的目的地址通过借以数据传输的应答方式进行保证，为了确保各传输路径都能在源地址的基础上向目的地址进行传输，通过星型网络来保证。
（2）低成本、低功耗
基于8-bit MCU应用ZigBee技术，现如今SOC 芯CC2530TI（兼容ZigBee 2007协议）由TI公司所推出，其价格区间在20-35元左右，网络节点的建构通过PCB天线以及滤波电路（由组容器构成）。
（3）高安全性
循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能是由ZigBee所提供，不仅可以进行鉴权同时还可进行认证，算法主要为AES-128加密算法，能够比较灵敏的对不同应用进行安全灵活属性确定。
（4）时延短
在通信过程中休眠状态的到向激活状态的通信时延比较短，搜索设备（典型）为30ms的时延，为15ms的休眠激活时延，活动设备为15ms信道接入时延。所以在眼球苛刻的时延无线通信中ZigBee技术应用优势更加的突出。
2、总体温湿度采集系统的设计方案
2.1设计温湿度采集系统框架图
ZigBee无线网络的建立基于协调器实现，在该网内加入终端节点，对温湿度数据进行周期性的采集，同时把这些数据进行协调器发送，将这些传输的数据接收之后，利用RS232串口进行用户PC机传输。
2.2设计无线传感网络节点
由于应用的不同，组成传感器的节点也存在很大的不同，然而在结构上其实都是非常一样的。不仅包括采集以及处理、传输还有电源等几个单元所构成。
3、温湿度采集系统的节点设计
3.1协调器的程序设计
ZigBee网络的组建以及在网络中加入终端节点，同时对其进行绑定，向用户PC机传输温湿度数据等都需要协调器来完成。加电后的协调机，第一进行信道搜索，对信道进行选定之后，进行初始化以及网络任务的组建与完成，主要涉及设定PAN ID以及协调器的地址以及别的网络参数等。如果网络中加入节点之后，倘若都是正确的信息发送，网络中则在协调器允许下加入，同时进行16位的短地址进行各节点分配。倘若出现绑定节点对协调器发出请求，则应当积极进行相应。数据接收到之后协调器应当利用串口RS232进行用户PC机数据传送，对相关结果进行有效的测量，验证其是否与设计要求相符合。
3.2终端节点的程序设计
网络加入以及绑定请求和测量数据与数据的发送都需要通过终端节点来完成。
加电之后的终端节点，第一应当初始化硬件系统，主要初始化CC2530以及微处理器，之后设置节点参数，使之寄存器和设置工作模式等。上述完成之后，信息加入可通过终端节点进行网络搜索，同时将请求发出，如果网络信息在协调器的允许范围之内，并得到相关允许，对绑定的按钮进行按动，请求协调器进行绑定。在协调器中将终端节点地址信息设置与绑定表中内。形成协调器与终端节点的联系性，接着进入到事件循环模式，通过查询定时的发现是否存在事件出现，应用层以及网络层和硬件以及接入层等是时间循环的主要组成，都应当进行相应时间的查询。文中终端节点是通过设置定时器，对其进行定时启动，来采集温湿度数据，同时将这些数据进行包装进行发送无事件情况出现时，处于低耗能的系统运行状态。
4、温湿度采集系统的测试
4.1实验平台的组建
协调器（1个）以及终端节点（4个）和PC机（1个）共同组成硬件平台。
ZigBee协议栈以及集成化的IAR软开发环境共同组成软件平台。
针对协调器供电持续性的进行，利用电池对终端节点进行供电。基于实验的具体实际，协调器仅仅和终端节点进行通信。IAR软件安装于PC机上，打造一个系统平台，CC2530下载数据通过JATG仿真接口来完成，PC機与协调器的连接利用串口来实现，将数据采集之后并向PC机进行传输。
4.2数据传输及显示测试结果
通过绑定在协调器以及终端节点内建立相应的关系，温湿度采集系统可通过终端节点进行启动，采集数据的过程中是周期性的采集，同时进行协调器发送数据，再经过串口向PC机发送数据，并将这些数据进行显示。
5、结论
文中在ZigBee无线网络技术的前提下，将分布式温湿度检测系统的设计提出，该设计不仅功耗较低，而且成本投入较少，通过芯片DHT11（温湿度复合传感），实现对温湿度数据的全面采集，数据传输过程利用CC2530射频芯片来完成，该芯片满足了ZigBee标准，能够无线的监测环境的温湿度，通过实践，在环境温湿度数据采集过程中，该系统返回这非常大的作用，优势明显。
参考文献
[1]庞娜，程德福.基于ZigBee无线传感器网络的温室监测系统设计[J].吉林大学学报（信息科学版），2016（1）：57.
[2]刘雅举，蔡振江，张莉，等.基于射频芯片的ZigBee无线传感器网络节点的设计[J].微计算机信息，2015，（8）：167-168.
[3]南忠良，孙国新.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J].电子设计工程，2016，7.
[4]代忠 樊晓光 万明，等.基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信节点设计[J].传感器世界，2016，（5）：41-44.
[5]徐瑞娜 胡方明 仁爱锋.Zigbee无线传感器网络在远程环境监测中的应用设计[J].电子元器件应用2016，12（7）：38-42.