基于Z―Stack的無線溫濕度采集系統

摘要：針對現有的有線溫濕度采集系統，存在系統布線復雜、維護困難、成本高等問題，提出一種基于Z—Stack的無線溫濕度采集系統設計方法。設計采用CC2430射頻芯片及SHT11數字溫濕度傳感器，在ZigBee協議棧的基礎上進行開發。闡述了系統的原理，節點的硬件設計和軟件設計。實驗表明，該系統能夠穩定可靠的實現溫濕度數據的采集。
關鍵詞：溫濕度；CC2430；SHT11；協調器；節點；Z—Stack；無線通信

0 引言
在現代工農業生產中，進行環境的溫濕度檢測是必不可少的內容。目前，很多場合的測溫濕系統采用的還是傳統的有線測溫濕度設備，傳統的多點分布式溫濕度測量系統采用有線傳輸方式，需要在現場進行大量布線，這給系統的布設、維護和更新升級帶來諸多不便。
ZigBee是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，主要用于近距離無線連接。它依據IEEE 802．1 5．4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。它使用2．4GHz波段，采用調頻及擴頻技術，具有短時延、網絡容量大等特點。Z igBee無線網絡主要是為工農業現場自動化控制數據傳輸而建立。本文設計了一種基于無線射頻技術的溫濕度監測系統，它以射頻芯片CC2430為核心，在數字溫濕度傳感器SHT11的配合下，在ZigBee協議棧的基礎上進行應用開發，能夠高效地完成環境溫濕度的無線監測，可以有效解決復雜布線帶來的不便。

1 系統原理
本文設計的是基于Z—Staek的無線溫濕度數據采集系統，在TI的Z—Stack 1．4．2協議棧的基礎上，實現無線組網及通信。即協調器自動組網，終端節點(附帶溫濕度傳感器)自動入網，并采集溫濕度數據廣播傳輸，協調器接收到信息后將溫濕度數據通過串口發送給PC計算機顯示。以此實現基于Z—Stack協議棧的溫濕度數據的無線透明傳輸，其原理框圖如圖1所示。

本系統主要由五個單元模塊構成：數字溫濕度傳感器、傳感器節點、協調器、上位機和能量供應模塊組成。數字溫濕度傳感器模塊，負責區域內的溫濕度信息采集和數據轉換；傳感器節點中的微控制器負責控制整個傳感器節點的操作和數據存儲；ZigBee無線收發模塊負責對信號進行處理發送；傳感器節點由溫濕度傳感器SHT11檢測得到溫濕度信息，并轉化為數字信號，傳輸至CC2430，由CC2430負責對信號進行處理發送。節點電源部分使用兩節AA電池，通過一個電壓轉換芯片BL8555將電壓轉化成3．3 V。其中協調器是匯聚節點，多個溫濕度傳感器節點放置于不同的監測區域，每個傳感器都會把采集的溫濕度送給傳感器節點，再由傳感器節點把數據通過ZigBee無線傳輸給協調器，然后協調器統一把數據傳送給上位機做進一步處理和顯示。

2 硬件設計
2．1 傳感器節點硬件設計
傳感器節點主要由數字溫濕度傳感器、微控制器及無線通信電路組成。傳感器節點的主控制器實時采集處理溫濕度數據后，將數據傳遞給CC2430無線通信模塊，以實現數據的定時發送。
2．2 通信節點硬件設計
協調器負責建立無線網絡、發送網絡信標、存儲網絡節點信息、對消息進行路由選擇等任務，其硬件組成主要包括處理器、時鐘電路、存儲器、電平轉換電路、天線等部分。在本系統中協調器節點采用CC2430為核心的控制器，它只需少量的外圍電路即可實現無線通信功能，硬件電路如圖2所示。