基于Zig Bee协议的温度湿度无线传感器网络

[摘 要]：阐述了一种温度湿度智能数据采集的无线传感器网络，介绍了传感器节点的软件与硬件设计。该系统基于Zig Bee无线通信协议设计，克服了有线传感器网络的局限性，避免了其他无线通信技术的高功耗的缺点，节点成本低、网络容量大、生存周期长。实验结果表明：温度测量精度为1℃，湿度精度为3％RH，可以广泛用于环境检测。 0 引 言 温度和湿度与工农业生产及人民生活密切相关。如，仓库、农田、生产过程，湿度过大会引起粮食霉变和变质；温度变化会影响粮食品质；精密仪器、半导体器件会因过温，过湿而性能降低。另外，随着人们的生活质量的提高，对室内环境的高要求也需要对温度、湿度的实时监控，可见温度、湿度传感器的应用范围是很宽的。 以往的温度、湿度传感器大多是有线方式传送数据，线路冗余复杂，不适合大范围多数量放置，布线成本高，线路的老化问题也影响了其可靠性。另一方面，传感器网络所要求的无线技术不同于现在已有的一些无线网络技术，这种网络并不需要太高的传输速率，而是在成本和功耗方面有比较苛刻的要求。为了满足类似于温度、湿度传感器这样小型、低成本设备无线联网的要求，Zig Bee技术正是为适应这种需求而产生的。 Zig Bee技术是IEEE 802.15.4基础上发展起来的，是最新的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，可工作在2.4GHz（全球流行），868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）这3个频段上。它最显著的技术特性是它的低功耗和低成本。由于采用较低的数据传输速率，较低的工作频段和容量更小的Stack，Zig Bee模块的整体功耗非常低。据称，根据现有的Zig Bee技术规格制造的产品，在绝大多数目标应用场合下，仅靠2节标准5号电池就可以持续工作6个月到两年。Zig Bee与现有其他无线技术相比，功耗非常低，比如：发射电流，Zig Bee是30mA，Bluetooth和WiFi分别是40mA和400mA；待机电流，Zig Bee是3uA，Bluetooth和WiFi分别是200uA和20mA；使用电池的生存时间，Zig Bee是100～1000d，Bluetooth和WiFi分别是1～7d和1～5d。另外，Zig Bee的网络节点数最大为255个，参考成本为5美元，也远远比Bluetooth和WiFi更有优势。 所以，设计这种基于Zig Bee协议的温度、湿度无线传感器网络，既可以克服有线传感器网络的局限性，又可以做到低成本、低功耗。在温度为-30～+70°C的测量范围内，误差不超过±1°C，在环境的相对湿度为10％～90％RH的测量范围内，误差不超过±3％RH，可主要用于温室种植，各种禽兽养殖场及仓库厂房的温度湿度监控。 1 系统结构 温度、湿度无线传感器网络系统结构如图1所示，该系统由监控主机、接入节点和若干个温度湿度一体化的传感器节点组成的分布式网络，其中，传感器节点分布于需要检测的区域，负责对数据的感知和处理，并通过无线射频信号发射出去；接入点接收各个传感器节点发出的无线射频信号，通过RS-232的串口线送人监控主机；监控主机放在监控室，负责存储和对数据的进一步处理。监控中心的软件是采用高级语言开发环境Microsoft Visual C++6.0和Microsoft Access数据库开发的温度湿度无线传感器数据采集终端，可以通过串口接收无线网络采集的数据，实时显示，并存储在数据库里面，同时，支持对数据库的有条件查询、增加或删除记录等管理。 2 无线传感器节点单元硬件设计 温度、温度传感器节点的硬件结构如图2所示。 传感器节点由传感器，微处理器和无线收发模块组成。传感器负责采集监控区域内的信息数据；微处理器负责控制整个传感器节点的操作，包括存储和处理本身采集的数据；无线通信模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据。整个节点由电池组供电，整个生存周期里面几乎没有能源补给。 2.1 微处理器 采用FREESCALE公司的MC908T60单片机作为节点的处理器。HCS08系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工作；其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设；带FLASH存储器的单片机还可以方便高效地进行在线仿真和编程。MC9S08GT60是HCS08家族中性能最强的单片机，有丰富的片内资源。它可以工作在-40～+85℃下，适合在无人职守的恶劣环境中工作；供电电压为1.8～3.6V，满足电池供电的要求。 MC9S08GT60最显著的特点是它的超低功耗。首先，它工作时的功耗就极低；另外，由于MC9S08GT60为静态CMOS工艺，CMOS电路的特点是在静态时功耗极小，功耗主要来自电平变化过程中的瞬态电流，因而，时钟频率越高，系统功耗越大。 2.2 射频模块 射频模块是实现无线通信最重要的部分。现在全球通过Zig Bee联盟认证的Zig Bee芯片生产厂家只有4家，经过综合考虑选用了Freescale公司的MCl3192射频芯片。这是业内第一款Zig Bee芯片，这种功能丰富的双向2.4GHz收发器完全符合IEEE 802.15.4标准，带有一个数据调制解调器，可在Zig Bee技术应用中使用。它还具有一个优化的数字核心，有助于降低MCU处理功率，缩短执行周期。4个定时比较器使用一个性能较低、价格低廉的MCU，从而能够降低成本。广泛的中断维修服务使软件开发更具灵活性。RFIC和MCU之间使用串行外围接口SPI（serial peripheral interface）连接，从而使用户能够使用飞思卡尔庞大产品系列中的任何一种MCU。连接质量和电源检测可为组网和维护提供必要的数据。 印制电路板的设计直接关系到射频性能。整个射频部分电路以射频芯片MCl3192为中心，各元器件紧靠其周围，以尽可能减少分布参数的影响；印制电路板上下两层板要大面积覆铜接地，并用大量通孔将其连接起来；使用一个印制电路板天线，用射频信号开关元件控制接收和发送信息。 2．3 传感模块 由于微处理器内部集成有8通道10位A／D转换器，可以直接使用模拟输出的传感器。为了减少外围电路，增加传感器节点的可靠性，选用了本实验室研制的电压输出的温度、湿度传感器，这样，传感器的输出可以直接和微处理器的A／D输入口相连，除去了中间的一些处理电路，减少了节点上的元件数量，从而减小了节点体积，增大了可靠性。 温度传感器测温范围为－30～＋70°C，精度为±1℃。湿度传感器测量范围为10％～90％RH，精度为±3％RH，工作环境温度为－40～＋85℃，具有仪表级测量性能。 2.4 串口模块 串口电路只有接人点才有。接入点是传感器网络中特殊的节点，负责主机与传感器网络的通信，向下级节点发送查询命令，接收下级节点回传的数据井由串口发送给主机。这里，选用低电压高速传输的RS232收发器MAX3318。MAX3318工作电压为2.5～3V，传输速率可达460kbps，满足接收器和监控主机之间的大量数据传输的需要；工作温度为－40～＋85℃，能适应恶劣的天气环境；外围设备少，20SSOP的封装，适合器件的小型化设计。 3 无线传感器节点的软件设计 系统的功耗主要有两方面的原因，另一方面是硬件，要选择功耗低的器件，一方面是软件，包括节点上的工作模式和通信协议的实现。由器件的物理特性决定的，节点在休眠、唤醒、工作等不同的工作模式下的功耗差别非常大，怎样把这些不同的工作模式有机的组合起来，使其既能有效地完成需要实现的功能，又能最大限度地少消耗本来就不多的能源，是软件设计重点要考虑的问题。仔细研究节点上的每个功能模块可以发现，通信模块是节点上功耗最大的部分，一个好的通信协议应该简单有效，使得节点的运算开销尽量的小，这样，可以大大降低整个节点的功耗。温度、湿度传感器节点的软件流程如图3所示： 3.1 传感器节点的数据处理 传感器节点的数据处理软件流程可以描述如下： 系统初始化后自动进入休眠状态，微处理器先关闭传感模块和射频模块的功能，再关闭自己的内部时钟进入“沉睡”，只保持微弱的电流监听外部中断信号，由微处理器外部的实时时钟器件RTC（real-time clock）来控制节点上的时间，RTC功耗极低，可以不计入节点上的耗能元件，此时，开始整个传感器节点保持低功耗状态，当设定的数据发送周期达到后，RTC发送一个中断信号给微处理器以唤醒节点，微处理器脱离休眠状态，恢复时钟并打开传感模块和射频模块的功能，整个节点苏醒进入工作状态，微处理器接收传感模块检测到的数据进行A／D转换及一些初步处理，按照设定的数据格式送人射频模块调制成射频信号发送出去。接人节点接收这个信号再调制成数字量输入监控中心。 3.2 通信协议的实现 本文设计的无线传感器网络的设计参考了IEEE 802．15.4标准和国际Zig Bee联盟制定的Zig Bee协议的规定。IEEE 802.15.4标准定义了网络的物理层和MAC层，Zig Bee协议定义了网络的网络层。 整个网络采用星型的拓扑结构，接人节点相当于星型网络的网络协调器，它在系统初始化的时候会扫描它所在区域里的所有Zig Bee信道，再选择一个干净的信道建立自己的局域网络，并为这个网络设定一个唯一的标识符。其余的温度、湿度传感器节点相当该星型网络中的终端设备，可以随意的加入或退出一个确定的网络。如果一个节点想要加入网络，只要将其上电复位即可，它在初始化的时候会自动寻找网络，接着向接入节点发送一个入网请求，接人节点回应表示接收请求并回复自己的网络标识符给传感器节点，以确定属从关系；如果要退出该网络，只需直接关闭节点的电源或者让它远离接人节点至其覆盖范围以外。 为了降低功耗，该网络采用无信标接入模式，即ALO-HA CSMA-CA的信道接入机制，传感器节点只有在需要数据传输的时候才和接入接点对话，其余时间则处于“断开”状态，节省维持网络连接所要消耗的能量