基于ZigBee技术的温湿度监测网络设计

     摘要: 无线传感器网络是当前信息领域中研究的热点之一，可用于特殊环境实现信号的采集、处理和发送。文中介绍了一种基于ZigBee 技术的温、湿度监测网络的设计与实现，以CC2430 单片机和数字式温、湿度传感器SHT10 设计出了温、湿度传感器节点，以AT91R4008 微控制器、AX88796 以太网控制器芯片和CC2430 单片机设计出了ZigBee 无线网关。温湿度传感器节点通过射频收发器将数据发送到ZigBee 无线网关。ZigBee 无线网关通过以太网网络将数据传输给监测中心主机。该系统具有低功耗、高可靠性、易组网及稳定性好等优势，可广泛应用于工业环境温、湿度监测。

　　0 引言

　　温度和湿度是2 个非常重要的物理量，温、湿度的监测广泛应用在工业控制、仓库存储等系统中，研制低成本、高可靠性的温、湿度监测设备及系统显得非常重要。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，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。本文提出基于ZigBee 技术的无线温、湿度监测的方案，不必铺设电缆，可以节省费用和时间，而且改变温、湿度传感器节点测量位置和增加或减少传感器节点数目都非常方便。该无线温、湿度监测网络将温、湿度数据传输到ZigBee 无线网关，再通过以太网发送到监测中心主机，具有快速展开、稳定可靠、维护性好等特点。

　　1 温湿度监测网络介绍

　　1. 1 ZigBee 技术

　　ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，工作频段为通用频段2. 4 GHz，数据传输速率低，只有10 ～ 250 Kb /s，专注于低传输应用。

　　如图1 所示，ZigBee 网络包括一个协调器，一个或多个路由设备或终端设备。每个网络中必须要有一个协调器，它是整个网络的中心，负责网络的维护和协调;路由设备负责网络中数据包的路由选择，并用来拓展网络范围;终端设备是实现具体功能的单元。ZigBee 网络可以实现星型、树型和网状型多种拓扑结构。

图1 ZigBee 网络拓扑结构。

　　1. 2 温湿度监测网络组成

　　整个温、湿度监测网络是由基于ZigBee 技术的无线温、湿度传感器节点和ZigBee 无线网关组成。无线温、湿度传感器节点分布于需要测量的现场，执行温度和湿度数据的采集、预处理和发送等工作，同时具有路由功能，转发其他传感器节点的数据包。ZigBee 无线网关具有ZigBee 协调器和协议转换功能，将ZigBee 协议格式的数据转换成以太网协议格式的数据传输到监测中心主机。

　　监测中心主机通过以太网与ZigBee 无线网关通信，实时显示每个温、湿度传感器节点的信息。

图2 温湿度监测网络总体结构。

　　2 硬件实现

　　2. 1 温湿度传感器节点

　　无线温、湿度传感器节点是该网络的基本单元，负责获取温、湿度数据和数据的预处理，传输到ZigBee 的无线网关。拥有子节点的节点还具有路由的功能，转发子节点的温、湿度数据。无线温、湿度传感器节点由下列部分组成:内部集成符合IEEE 802. 15. 4 标准的2. 4 GHz 的射频(RF)收发器的CC2430 无线单片机;数字式温、湿度传感器SHT10 等。数字式温、湿度传感器SHT10 直接通过I2C 总线与CC2430 单片机接口，用CC2430 单片机I /O 口模拟I2C 总线，没有另外增加专门的I2C 总线控制器，减少硬件成本。温、湿度传感器节点示意电路图如图3 所示。

图3 温、湿度传感器节点示意电路图。

　　(1) CC2430 无线单片机。CC2430 是一颗真正的系统芯片( SoC)，满足无线传感器网络对低成本、低功耗的要求。它包括了一个高性能的2. 4 GHz 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 μm 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。

　　(2) 数字温、湿度传感器SHT10。SHT10 是一款高度集成的温、湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。该传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，2 个敏感元件与一个14 bit 的A/D 转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。因此，该传感器具有响应时间快、高( 湿度RH 为± 2. 0%，温度T 为± 0. 4 ℃)、抗干扰能力强和低功耗等特点。另外，SHT10 数字式传感器具有I2C 总线数字接口与CRC 数据传输校验，使它可以很方便的与其他微处理器、微控制器等系统直接接口，很大程度上增加了对传感器接口开发的方便性与可靠性。

　　为了使传感器输出的数字量转换为直观的物理单位量，需要进行数据变换处理。

　　SHT10 传感器温度输出具有极好的线性，可用如下公式将传感器的数字输出转换为实际温度值:

　　式中T———实际温度值，℃

　　SOT———传感器输出数字量

　　对于不同测量( bit) 的SOT，各温度转换系数如表1 所示。

表1 温度转换系数。

　　SHT10 传感器的湿度输出呈一定的非线性，为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据，可用如下公式修正读数:

　　式中SORH———传感器相对湿度测量值。

　　对于不同测量(bit)的SORH，各系数取值如表2 所示。

表2 湿度转换系数。

　　由于上述湿度计算公式是在参考温度25 ℃时进行计算的，与实际温度可能存在显着不同，因此应考虑湿度传感器的温度系数，用如下公式修正补偿:

　　式中T———测量温度值。

　　对于不同测量(bit)的SORH，各系数取值如表3 所示。

表3 湿度测量的温度补偿系数。

　　2. 2 ZigBee 无线网关

　　该温、湿度监测网络不是以一个独立的通信网络形式存在，网络中监测的温、湿度数据需要发送到监测中心主机进行分析和显示，这就需要实现ZigBee 无线监测网络与以太网的互联。ZigBee无线网关实现该功能，担当ZigBee 网络和以太网的协议转换。ZigBee 无线网关由下列部分组成:内部集成符合IEEE 802. 15. 4 标准的2. 4 GHz的射频(RF)收发器的CC2430 无线单片机;采用ARM 核的AT91R4008 微控制器;AX88796 以太网控制器芯片等。AT91R4008 微控制器没有内嵌入Flash 存储器，所以在外部扩展一个Flash 存储器SST39VF160，ZigBee 无线网关示意电路图如图4 所示。

图4 ZigBee 无线网关示意电路图。

　　(1) AT91R4008 微控制器。AT91R4008 是常见、典型的AT91 系列ARM 核微控制器。

　　它的片内资源主要有256 KB 的SRAM、外部总线接口、3 个定时器/计数器、2 个通用同步/异步收发器、1 个看门狗定时器和1 个先进电源管理控制器。

　　(2) AX88796 以太网控制器芯片。AX88796以太网控制器芯片内部集成有10 /100 Mb /s 自适应的物理层收发器和8 k × 16 bit 的SRAM。

　　AX88796 执行基于IEEE 802. 3 /IEEE 802. 3u 局域网标准的10 MB /s 和100 MB /s 以太网控制功能，并提供IEEE 802. 3u 兼容的媒质无关接口MII(Media Independent Interface)。

　　3 软件实现

　　软件实现包括2 部分:ZigBee 无线网关和温、湿度传感器节点。ZigBee 无线网关充当ZigBee协调器角色，负责ZigBee 网络的组成，通信链路及路由的建立和数据包的协议转换等。温、湿度传感器节点充当ZigBee 路由器或终端设备，负责采集、处理和发送温、湿度数据，同时还转发其他温、湿度传感器节点的数据。软件流程图如图5所示，图5(a) 为温、湿度传感器节点的软件流程图，图5(b)为ZigBee 无线网关的软件流程图。

图5 软件流程图。

　　4 试验结果

　　基于ZigBee 技术的温、湿度监测网络，能够广泛应用于工业环境监测和预报、大型车间和仓库管理等领域。该系统中，只需在被测地点放置一个温、湿度传感器节点，就可快速形成网络。

　　为了检验该无线温湿度传感器的性能，将温、湿度传感器节点置于高的温、湿度试验箱中，试验箱的温度为± 0. 1 ℃，湿度为± 2% RH。

　　将测量的标准值与控制主机采集的测量值相比较，结果如表4 所示。

　表4 温湿度传感器节点试验结果。

　　从测量数据可以看出，测量误差较小，满足使用要求。测量值与实际值之间的误差主要是传感器自身测量误差，网络传输过程中几乎不会引入误差。

　　5 结语

　　该温、湿度监测网络以低成本、低功耗无线单片机CC2430 为，采用数字温、湿度传感器SHT10 获取数据，电路结构简单，工作稳定、可靠，检测高，且具有无线数据通信灵活、方便等特点，特别适用于工业现场环境、监测封闭空间和其他需要多点监测的特殊场合。

  

参考文献:

[1]. CC2430  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CC2430+_1055132.html.
[2]. SHT10  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SHT10+_1136121.html.
[3]. AX88796  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AX88796+_147319.html.
[4]. SST39VF160 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SST39VF160_1045221.html.