摘要：针对环境监测体系布线杂乱、数据的实时性和精确性低一级问题，提出了一种依据ZigBee技能的散布式传感器网络渠道。选用SHT75传感器完结对监测点温湿度信息的精准收集，并通过由CC2530芯片和CC2591射频前端组成的ZigBee网络完结数据的远间隔传输和会聚。数据通过阈值比较，能够进行声光报警或GSM短信报警。一起，收集的温湿度信息将通过Z-ScnsorMonitor软件在PC端实时显现和存储。本体系提高了数据的实时性和牢靠性，下降了环境监测本钱。
要害词：无线传感器网络；ZigBee；温湿度；CC2530
导言
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)作为物联网的一种未梢网络和感知延伸层，现已广泛应用于轿车电子、工业操控、家庭主动化和环境监测等范畴。但是，现有的环境监测体系往往存在通讯间隔短、覆盖面小、数据精确性低、设备体积巨大等缺陷。一起，因为监测点大部在野外、机房、企业排污点等无人值守的当地，需求作业人员定时到现场查看设备的运转状况并保护，因而数据的实时性和毛病扫除的及时性得不到保证。鉴于此，本文规划了一种依据ZigBee技能的散布式传感器网络(DSN)渠道，选用散布式收集，集中式办理战略，并以收集环境温湿度信息为例，完结了远间隔的实时温湿度精准收集。
1 体系整体结构和功用
体系选用模块化规划思维，依据无线传感器网络的体系架构界说了传感器节点、会聚节点(和谐器和路由器)和办理节点等三类功用单元，体系整体结构如图1所示。传感器节点依据监测需求散布在不同地址，具有细巧、可移动和自适应等特性。无线传输网络担任对收集的数据进行实时传输、路由中继和会聚等，包含ZigBee无线传感器网络和GSM移动通讯网络。办理节点能够选用手机、PDA、嵌入式处理器或PC机等，这儿选用PC机接纳监测点信息，并供给人机交互操作接口，完结环境数据的实时显现和存储；选用手机终端完结异地监控和报警。
2 体系硬件电路规划
2．1 无线传输单元
无线传输单元是体系规划的中心，选用CC2530芯片作为体系的MCU，它是TI公司针对2．4GHz ISM频段推出的第二代支撑ZigBee／IEEE 802．15．4协议的片上体系集成芯片。CC2530内部集成了增强型的8051内核，8路输入的12位ADC以及看门狗定时器等，故只需很少的外围电路即可构建一个简略的ZigBee节点。其间，必备的外围电路包含晶振电路、电源电路、复位电路、无线收发电路等。因为技能相对老练，这儿不再赘述，可参看参考文献。
为保证网络的传输质量，扩展网络的覆盖面积，选用TI公司的高性价比、高集成度的2．4 GHz射频前端CC2591。它适合于低功耗、低电压的无线传输体系。CC2591内部集成的功率扩大器(PA)输出功率可达+22dBm，保证了信号的大功率输出；一起，还集成了接纳灵敏度为6 dB的低噪声扩大器(LNA)。依据以上特性，选用CC2591射频前端的ZigBee节点在无障碍状况下的传输间隔可达500～800m，是本来间隔的10倍以上，网络覆盖面积大大增强。CC2530芯片与CC2591射频前端的硬件衔接图如图2所示。
运用CC2591的4个数字引脚PAEN、EN、HGM、RXTX操控芯片的状况。接纳信号时，当HGM=1选用高增益形式，增益为11dB；HGM=0选用低增益形式，增益为1 dB；发射信号时，不管HGM为1或0或悬空，信号均扩大。别的，CC2591的RF_P、RF_N引脚须与CC2530的RF_P、RF_N对应衔接，保证RF_P、RF_N在发送期间能从功率扩大器输出正／负向射频信号，在接纳期间能输入正／负向射频信号到低噪声扩大器。
2．2 数据收集单元
传统温湿度收集往往选用温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1101相结合的方法，存在数据交融算法杂乱、精确性低一级缺陷。选用依据CMOSens技能的新式数字式温湿度传感器SHT75不只提高了数据收集的精度，并且保证了体系的长时刻安稳性。其相对测湿精度为±1．8％RH，而在25℃时的测温精度能够到达±0．3℃，因而特别适合于特别环境下温湿度的精准收集。
SHT75选用4引脚单排直插式封装，供电规模为2．4～5．5 V，温湿度收集电路电路如图3所示。DATA引脚为双向的串行数据收发引脚，能够接CC2530的恣意GPIO完结数据通讯，这儿衔接引脚P0_3。别的，为防止信号抵触，CC2530应选用低电平驱动DATA引脚，故衔接了一个10 kΩ的上拉电阻，当CC2530输出低电平时，将信号拉至高电平驱动DATA引脚。SCK为串行时钟输入引脚，衔接至CC2530的P0_2引脚完结同步通讯，操控读出温湿度数据。
鉴于CC2530最小体系的可拓宽件，每个传感器节点能够衔接1～3个传感器。一起，为了便于CC2530和GPIO的数据传输，一切ZigBee节点的应用程序有必要保证多个数据链路，而两个对等ZigBee节点间则运用同一无线信道来和多个接口创立虚拟链路，以下降体系的本钱。
2．3 报警单元
体系的报警单元选用声光报警和长途短信报警相结合的方法，保证报警的及时精确，无漏警。
关于声报警电路，鉴于无源蜂鸣器的频率可调，体系选用无源蜂鸣器完结温湿度的差异报警。因为CC2530的I／O引脚电流最大只要20 mA，驱动才能有限，故选用一个PNP型三极管8550扩大电流来驱动蜂呜器。当温湿度超越安全阈值时，通过特定程序对外输出不同频率的驱动方波，宣布不同报警信号。光报警电路选用一般发光二极管即可完结，其正极通过限流电阻接3．3 V电源，保证灌电流不超越MCU的答应值，负极可直接接到CC2530的GPIO。声光报警电路如图4所示，两者相互配合，能够更好地完结温湿度的差异报警。
别的，为完结体系的长途异地监控和报警，在和谐器节点添加GSM短信报警单元。选用德国西门子公司的TC35i模块，它能够支撑中文短信，作业在GSM 900MHz和GSM 1800 MHz双频段；模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块、闪存、ZIF衔接器、天线接口六部分组成。它的数据输入／输出接口实际上是一个串行异步收发器，其18引脚RXD、19引脚TXD均为TTL电平的串口通讯引脚，别离衔接到CC2530的GPIO即可完结串口数据的收发。运用时只需通过CC2530发送AT指令即可操控TC35i进行短信报警。
3 体系软件规划
3．1 数据收集程序
SHT75的内部前端集成有I2C总线，故数据收集程序需彻底依照I2C总线的通讯协议进行即CC2530的收集指令和接纳指令均应遵循SHT75的时序编写。CC2530向SHT75发送的测温指令为00000011、测湿指令为00000101，一切数据均从MSB开端。在丈量和通讯结束后，SHT75主动转入休眠形式。
传感器收集的温湿度数据能够通过串口调试帮手SComAssistant在PC端显现，图5为SHT75收集数据。能够看出，当时环境的相对湿度规模为49．5～50．1％RH，温度为25．4～25．7℃，数据安稳牢靠，差错可控，能够完结对温湿度信息的精准收集。
3．2 ZigBee-WSN软件规划
ZigBee网络的树立和运转是整个无线传感器网络体系的要害，关系到数据的牢靠性和体系的安稳性。整个体系的作业流程如图6所示。
体系上电后，首要进行硬件初始化和网络初始化。CC2530选用ZigBee2007协议栈，该协议栈的初始化可由TI公司供给的Z-Stack完结，Z-Stack是一种轮转查询式操作体系，能够完结硬件初始化、网络初始化等绝大部分功用。ZigBee网络的树立实际上是通过和谐器与其子节点的“绑定”完结的，首要由和谐器通过网络层函数NLME_NetworkFormationRequest()树立网络，并通过zb_AllowBind()函数进入答应绑定形式。子节点宣布绑定恳求zb_BindDevice()后，和谐器树立绑定表并呼应绑定恳求，绑定成功即意味着通讯树立。当其他节点参加网络时履行相同进程，并不断更新绑定表。绑定表中包含了节点的16位网络地址、64位IEEE地址和端口号。网络地址用于路由机制和数据传输，而IEEE地址才是节点的仅有标识。ZigBee网络树立进程如图7所示。
体系初始化结束后，前置节点便开端收集数据。数据经无线网络传输和会聚将在PC端实时显现，阈值比较后能够进行声光报警和短信报警。
3．3 办理节点软件
办理节点挑选TI公司配套的Z-SensorMonitor软件，它能够形象地显现网络的拓扑结构和各节点的状况信息。别的，Z-SensorMonitor供给了数据存储和康复功用，能将十六进制数据输出到后缀为．log的文本中，并参加时刻戳，便于往后对体系状况的调阅和再现。故选用Z-SensorMonitor能实时地显现各监测点的温湿度状况以及整个网络的运转状况，图8为试验进程中收集到的实时网络状况信息。
结语
通过对该无线传感器网络体系进行功用测验发现，SHT75传感器节点能精确地收集到监测点的温湿度信息，数据契合监测点的实际状况。通过ZigBee无线传感器网络和GSM移动通讯网络传输后，数据安稳牢靠，到达了远间隔、大规模的实时温湿度精准收集要求。
