基于ZigBee技術的環境監測系統的開發

　　無線傳感器網絡的節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成。節點的硬件原理框圖如圖4。處理器模塊和無線通信模塊采用CC2430 芯片, CC2430是一個真正的系統芯片( SoC) , 它包括了一個高性能的2.4GHz DSSS( 直接序列擴頻) 射頻收發器和高性能、低功耗的8051微控制器核。CC2430芯片采用0.18 um CMOS工藝生產, 工作時的電流損耗為27 mA; 在接收和發射模式下, 電流損耗分別小于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性, 特別適合無線傳感器網絡的應用。大大簡化了射頻電路的設計。傳感器模塊采用集成溫濕度傳感器SHT10。電源模塊采用3V 紐扣電池。

圖4 節點硬件設計

　　SHT10 用于采集周圍環境中的溫度和濕度, 其工作電壓為2.4～5.5V, 測濕精度為±4.5%RH, 25℃時測溫精度為±0.5℃。采用SMD 貼片封裝, 與處理器的通信電路I2C通信協議。

2.4 節點軟件設計

　　節點軟件設計采用了TinyOS操作系統，TinyOS 是美國的伯克利大學開發的,專為嵌入式無線傳感器網絡而設計，是一款自由和開放源碼的操作系統和平臺, 它采用面向元件結構,確保快速響應和執行,同時減小了代碼量,以適應無線傳感器網絡嚴格的存儲空間需要。它運行在每個網絡節點上,是其他上層應用和協議運行的前提。其操作系統、庫和程序服務程序是用nesC 寫的。nesC 是一種開發組件式結構程序、具有C 語法風格的語言,其組件層次結構就如同一個網絡協議棧,底層的組件負責接收和發送原始的數據位,而高層的組件對這些數據進行編碼、解碼,更高層的組件負責數據打包、路由和傳輸數據。組件用接口互相連接。TinyOS為普通的抽象描述提供了接口和組件，例如數據包通信，路由，感知，行為和儲存。

　　無線傳感器節點的應用程序采用nesC編寫，分為數據采集、電池能量檢測和無線通信這三個分別設計的模塊。無線路由節點和無線終端節點比無線終端節點多一個數據匯集和上傳的功能。

2.5 ZigBee網關設計

　　在該系統中，需要實現ZigBee無線傳感器網絡與以太網的互聯，把網絡中監測的溫濕度數據需要發送到監測中心主機進行分析和顯示。ZigBee網關實現該功能, 擔當ZigBee網絡和以太網的協議轉換。ZigBee網關由下列部分組成: 內部集成符合IEEE 802.15.4標準的2.4GHz的射頻(RF) 收發器的CC2430無線單片機; 采用ARM核的SamsungS3C44BOX微控制器; AX88796以太網控制器芯片等。

2.6 監控終端軟件設計

　　作為一個完整的藥廠環境監控系統，除了無線傳感器網絡技術研究，運行在計算機服務器上的上層管理軟件必不可少。本系統中，上層管理軟件采用三層C/S 模式，實時對傳感器網絡送來的數據進行處理，形成用戶最終關心的數據表現形式，局域網內的辦公用戶在經過授權后，可以讀取監控主機上的實時數據，實現遠程的監測。監控應用軟件還對傳感器網絡中的每個節點進行跟蹤管理。對于監控到異常情況，上層管理軟件使用聲光、短信、電話實時報警方式。可顯示參數列表、實時曲線圖（對應具體數值并任意調整坐標）、實時數據、折算數據、累計數據、歷史、報警畫面、報表等多種顯示、統計功能更加貼近用戶需求。

3、實驗結果

　　為了檢驗該溫濕度傳感器的性能, 將3個溫濕度傳感器節點置于RZ-80-E型高精度的溫濕度試驗箱中, 試驗箱的溫度控制精 ±0.3℃，濕度控制精度 ± 2.5% R.H。將測量的標準值與控制主機采集的測量值相比較, 從測量數據可以看出, 測量誤差較小, 滿足使用要求。測量值與實際值之間的誤差主要是傳感器自身測量誤差, 網絡傳輸過程中幾乎不會引人誤差。