摘要：以CC2530和zstack协议栈为渠道，给出了依据ZigBee技能的温度、光照度无线传感器网络的规划办法，一起对协议栈的运行机制、组网进程及使用层的数据收集进行了剖析与规划。试验成果表明，该规划办法可行，各节点作业杰出，能成功完结多跳网络的数据收集。
0 导言
各行各业尤其是工农业生产、环境监测等范畴，都对无线数字监测体系提出了极大的需求和更高的要求。无线传感网的迅速发展并逐步走向老练，使得这一需求得到了较好的满意。依据ZigBee技能的无线传感网具有自组织、低功耗、以数据为中心、抗毁性强和无需架起网络设施等优势，能够在外界环境非常恶劣的条件下，完结其他监测手法无法完结的使命，代表了数字监测的一个新的发展方向。本文以TI公司的CC2530和zstack协议栈为渠道，给出了依据ZigBee技能的温度及光照度无线传感器网络的规划办法。
1 体系整体规划
本文规划的依据ZigBee技能的无线传感器网络由一个和谐器节点、若干路由节点和很多传感节点组成，图1所示是其体系整体结构。其间，传感节点担任对环境温度等数据的监测，然后经过路由节点以多跳办法将数据发送给和谐器节点，和谐器节点担任将数据上报给监测中心PC机。
2 节点硬件规划
依据节点在体系中的使用不同，可分为传感节点、路由节点和和谐器节点。各节点的功用不尽相同，可分为数据收集、数据处理、无线通讯、能量供应和串口通讯等功用。各功用模块选用模块化的办法规划，这样能够完结各模块的并行规划、调试，缩短开发周期，一起也便于后期替换和扩展传感器，然后便利后期保护或移植到其他监测范畴。
2.1 ZigBee模块
本规划中的各节点选用CC2530芯片作为ZigBee模块，完结数据处理及ZigBee无线通讯功用。CC2530内部集成了一个高性能2.4 GHz射频收发器和一个增强型8051微处理器，最大256 KB可编程FLASH、8 KB的RAM并供给了一套广泛的外设集，为2.4 G IEEE 802.15.4和ZigBee使用供给了一种SOC解决方案。该模块的电路如图2所示，图2中包含了最小体系、射频前端及I/O接口电路。
2.2 数据收集模块
各传感节点经过一线制数字温度传感器DS18B20和CDS光敏电阻5 516对环境温度、光照度进行数据收集，图3所示是数据收集模块电路图。其间，DS18B20可完结-55～+125℃丈量规模及最高12位测温分辨率，测温精度可达±0.062 5℃，供电电压规模为+3～+5.5 V。本规划中供电电压挑选来自LD1117稳压芯片的+3.3 V输出，数据线DQ和CC2530芯片的P2.0相连完结一线接口，如图3(a)所示。5516光敏电阻的亮电阻为5～10 kΩ，暗电阻为500 kΩ，电路如图3(b)所示，输出电压为0～2 V，送至P0.5进行AD转化。
3 节点软件规划
节点软件是在TI公司的ZigBee协议栈——Z-stack基础上开发规划的。该协议栈支撑ZigBee网络的树立和参加、自组网、多跳传输和动态网络拓扑。
3.1 Z-stack协议栈的运行机制
OSAL是TI公司开发的用于Z-Stack协议栈的一个轮转查询式的操作体系。OSAL把优先级放在最重要的位置，优先级高的使命中的一切事情都具有很高的优先级，只需优先级高的使命有事情没有处理完，就一向处理，直到一切事情都得到处理，才去查询下一个使命的事情。别的，即便当时在处理的使命中有两个以上事情等候处理，处理完一件后，也要回头再去查询优先级更高的使命。只要在优先级更高的使命没有事情要处理的情况下，才会处理本来使命优先级第二高的事情。假如此刻发现优先级高的使命有了新的事情要处理，则马上处理该事情。经过这种调度办法，就赋予了优先级高的使命最大的权力，尽可能确保高优先级使命的每一个事情都能得到最及时的处理。
3.2 ZigBee网络的组网进程
ZigBee网络的组网进程包含网络树立和参加网络两个方面，该部分是经过Z-Stack协议栈各层之间的原语通讯完结的。和谐器节点担任网络的参数装备和树立，使用层经过ZDO层调用网络层函数NLME NetworkFormationRequest()，在指定信道上进行自动扫描，即发送MAC层信标恳求指令，勘探该信道上已存在的网络;然后网络层依据自动扫描成果，设置PAN ID，网络地址，扩展PAN ID等参数;终究告诉各使用端点一个新的ZigBee网络现已树立起来了口其网络树立进程如图4所示。
参加网络有多种办法，经过衔接来参加网络，重新参加网络，孤立点参加网络，预先装备参加网络等。子节点经过衔接办法参加网络的进程图如图5所示。
子节点使用层经过ZDO层调用网络层函数NLME_NetworkDiscoveryRequest()，在指定信道上进行自动扫描，然后监听一段时刻看是否收到信标。经过屡次发送MAC层信标恳求指令，子节点能够知道周围已存在网络的有关信息，然后确定要参加网络的PAN ID，然后经过NLME_Join Request()函数向要参加的节点发送MAC层衔接恳求指令。假如收到成功的MAC层衔接呼应指令，则可获取父节点所分配的网络地址。假如子节点是终端节点，则网络参加进程到此完结。而假如子节点是路由节点，则子节点还需经过NLME_StartRouterRequest()函数发动路由器。不管子节点是传感节点仍是路由节点，终究都要将参加网络的成果告诉各使用端点。
和谐器和路由器节点能够经过NLME_PermitJoining Request()函数决议是否答应子节点参加到自己的网络，这样能够便利地操控子节点参加到指定的一个路由节点中，然后完结多跳组网。
3.3 数据收集程序规划
选用DS18B20作为测温元件，其硬件电路适当简略，但关于单片机来说，为获取一次温度数据，需求先对其履行复位操作，发送ROM指令和RAM指令操作，发动温度的转化;等候温度转化完结后，再重复履行上述三步操作，才干完结温度的读取。依据DS18B20装备寄存器的不同，可分为9、10、11和12位的分辨率，所需转化时刻最小为93.75 ms，最大为750 ms。也就是说，在发动温度转化后，有必要等候较长的时刻才干进行温度的读取操作。为了防止无谓的等候，本规划中将温度的丈量分为两个事情：温度的“转化”和“读取”事情。温度收集时，能够设置一个“转化”事情定时器。在处理“转化”事情时，先向DS18B20发送温度转化指令，紧接着设置一个“读取”事情定时器，然后回来OSAL处理其他事情，然后确保体系能及时地呼应其他事情。在处理“读取”事情时，只需求直接读取温度，然后再次设置“转化”事情定时器，完结周期性数据收集。温度传感器的“转化”和“读取”事情处理流程如图6所示。
4 试验成果剖析
4.1 组网试验
组网测验时，经过TI公司的CC2531UD USB DONGLE和SmartRF Packet_Sniffer软件对空中无线数据包进行抓包剖析。子节点参加网络进程中所抓到的数据包如图7所示。子节点(IEEE地址为0x001248000201781D)先宣布一个MAC层信标恳求指令，接着和谐器节点(网络地址为0x0000)宣布了一个信标帧作为呼应。然后，子节点又宣布一个MAC层衔接恳求指令，接着和谐器节点回来一个应对帧。终究，子节点向和谐器节点发送一个MAC层数据恳求指令，接着和谐器节点宣布一个MAC层衔接呼应指令作为呼应，为子节点分配一个网络地址0x0001。经过数据包图可见子节点已成功参加网络。
4.2 数据收集试验
试验中，设定各传感节点每隔2 s进行一次数据收集，然后将收集数据经过路由节点发送至和谐器，和谐器经过RS232串口将数据上传给PC机，终究显现的收集数据如图8所示。图8中的收集数据分别是节点号为10 650和10 120的2个传感节点经过路由节点2 181(父节点)发送至和谐器的。试验时人工丈量温度值为20.3℃，与收集到的数据根本符合。
5 结语
依据ZigBee技能的无线传感网能够较好满意各行各业对无线数字监测的需求。本文以CC2530和Z-stack协议栈为渠道，组建了一个多跳ZigBee网络，完结对环境温度、光照度等数据的无线监测。试验成果表明，本规划多跳组网成功，数据收集成果正确。
