基于Z—Stack的室內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李延　張發(fā)生

摘要：針對(duì)布設(shè)線纜監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫濕度的傳統(tǒng)方式存在的布線復(fù)雜、成本較高、維護(hù)難及擴(kuò)展性較差等不足，結(jié)合Zigbee及嵌入式開發(fā)技術(shù)，提出一種基于Zigbee協(xié)議棧的ZStack室內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)使用射頻芯片CC2530、處理器STC89C52和溫濕度傳感器DHT21，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性與擴(kuò)展性好、布點(diǎn)靈活等特點(diǎn)，為ZStack應(yīng)用開發(fā)及智能家居環(huán)境調(diào)控的研究及實(shí)現(xiàn)提供重要的理論及應(yīng)用基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：Zigbee；ZStack；溫濕度監(jiān)測(cè)；智能家居

DOIDOI：10.11907/rjdk.143967

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）002009403

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：李延（1990-），男，湖南邵陽(yáng)人，中南林業(yè)科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與自動(dòng)控制。

0引言

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，智能家居發(fā)展已成為一種趨勢(shì)，而溫度、濕度與人們的日常生活息息相關(guān)，影響著安全、舒適的生活體驗(yàn)。因此，對(duì)這些環(huán)境參量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)在智能家居生活中必不可少。采用鋪設(shè)電纜的傳統(tǒng)方式，當(dāng)需要監(jiān)測(cè)和控制的對(duì)象較多時(shí)，布線繁瑣、維護(hù)和升級(jí)困難，成本高、靈活性差等一系列的問題就凸顯出來(lái)＼[13＼]。

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離、低復(fù)雜度的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有能耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延短和安全等特點(diǎn)＼[4＼]。此外，ZigBee還具備自組織網(wǎng)絡(luò)的功能，能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自我功能恢復(fù)。ZigBee技術(shù)以其經(jīng)濟(jì)、可靠、高效等優(yōu)點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)中有著良好的應(yīng)用前景＼[5＼]。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)使用單片機(jī)STC89C52作為節(jié)點(diǎn)控制器，使用數(shù)字溫濕度傳感器DHT21（AM2301）構(gòu)建節(jié)點(diǎn)傳感器單元，使用TI無(wú)線射頻芯片CC2530搭建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)?？紤]到家庭住房較密集、面積較大等特點(diǎn)，以及Zigbee節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)容量大的特性，整個(gè)系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連接方式。為驗(yàn)證方案的可行性，本設(shè)計(jì)選用3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，分別安裝在室內(nèi)3個(gè)不同方位。

如圖1所示，3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)作為監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)檢測(cè)房間內(nèi)的溫濕度，并將其定時(shí)傳送至協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口與PC機(jī)相連，接收到溫濕度數(shù)據(jù)后通過串口將其發(fā)送至PC機(jī)。在PC上設(shè)置好串口號(hào)、波特率等參數(shù)后，即可在串口調(diào)試窗口上顯示出協(xié)調(diào)器接收到的溫濕度數(shù)據(jù)。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

如圖2所示，終端節(jié)點(diǎn)由控制模塊、傳感器模塊、無(wú)線模塊和電源模塊組成?？刂颇K采用高性能、低功耗的8位微控制器STC89C52，按照一定的時(shí)序讀寫數(shù)字溫濕度傳感器DHT21來(lái)獲取區(qū)域內(nèi)的溫濕度，單片機(jī)獲得溫濕度后通過串口將具體的數(shù)據(jù)發(fā)送給射頻芯片CC2530，再由射頻收發(fā)器終端節(jié)點(diǎn)將溫濕度值發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

圖2終端節(jié)點(diǎn)硬件

2.2協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)組建、網(wǎng)絡(luò)管理以及收集監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并上傳給PC機(jī)的任務(wù)，是一個(gè)ZigBee全功能設(shè)備。在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件電路比較簡(jiǎn)單，射頻芯片采用TICC2530，同時(shí)使用PL2303模塊（STC下載器）連接協(xié)調(diào)器和PC機(jī)。

2.3主要模塊

（1）無(wú)線模塊。

本系統(tǒng)使用TI公司的CC2530無(wú)線射頻芯片。該芯片使用的8051CPU內(nèi)核是一個(gè)單周期的8051兼容內(nèi)核，它有3個(gè)不同的存儲(chǔ)器訪問總線（SFR、DATA 和CODE/XDATA），以單周期訪問SFR、DATA和主SRAM。它還包括一個(gè)調(diào)試接口和一個(gè)擴(kuò)展中斷單元。另外，CC2530具有電源管理功能，可以實(shí)現(xiàn)工作模式的切換，從而保證了芯片的低功耗性能。芯片內(nèi)部提供了一個(gè)IEEE 802.15.4兼容的無(wú)線收發(fā)器，RF內(nèi)核控制模擬無(wú)線模塊，提供了MCU和無(wú)線設(shè)備之間的一個(gè)接口，可以發(fā)出命令、讀取狀態(tài)、自動(dòng)操作和確定無(wú)線設(shè)備事件的順序。此外，無(wú)線設(shè)備還包括一個(gè)數(shù)據(jù)包過濾及地址識(shí)別模塊。

（2）傳感器模塊。

DHT21數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。外接3個(gè)接口分別為VCC、SDA和GND，SDA用于微處理器與DHT21之間的通訊和同步。

3軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)STC89C52的軟件開發(fā)平臺(tái)選擇Keil uVision4，Zigbee協(xié)議棧ZStack的應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)選擇IAR Embedded Workbench。其中，ZStack的應(yīng)用開發(fā)需先下載并安裝ZStack軟件包（使用ZstackCC25302.5.1a）。

3.1ZStack協(xié)議棧

ZStack是TI公司推出的Zigbee2007協(xié)議棧，是Zigbee協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)，它相當(dāng)于一個(gè)小型的操作系統(tǒng)，包括14個(gè)文件目錄：App、HAL、MAC、MT、NWK、OSAL、Profile、Securitey、Services、Tools、ZDO、ZMAC、ZMain、Output。TI ZStack協(xié)議?？傮w上由硬件抽象層HAL、操作系統(tǒng)抽象層OSAL和Zigbee協(xié)議層組成＼[6＼]。HAL層提供Timer、I/O、UART等硬件資源的API，OASL層負(fù)責(zé)任務(wù)管理。用戶可以使用協(xié)議棧提供的API 進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)，在開發(fā)過程中完全不必關(guān)心ZigBee協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)＼[7＼]。Z-Stack系統(tǒng)采用任務(wù)輪詢的機(jī)制，各層任務(wù)初始化之后便進(jìn)入查詢等待的低功耗模式，如果有事件發(fā)生，系統(tǒng)便被喚醒，中斷并處理發(fā)生的事件，處理完后再次進(jìn)入低功耗模式。若幾個(gè)事件同時(shí)發(fā)生，系統(tǒng)便根據(jù)事件的優(yōu)先級(jí)依次進(jìn)行處理＼[7＼]。協(xié)議棧工作流程如圖3所示。

3.2ZStack無(wú)線收發(fā)程序設(shè)計(jì)

對(duì)于Zigbee部分軟件設(shè)計(jì)，采用基于協(xié)議棧ZStack的應(yīng)用開發(fā)方式，節(jié)點(diǎn)無(wú)線收發(fā)的程序設(shè)計(jì)按照節(jié)點(diǎn)種類的不同分為兩類，即終端（監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)）程序設(shè)計(jì)與協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)。兩類程序的架構(gòu)基本一致，由于功能實(shí)現(xiàn)要求不同，存在一定差異，主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）通訊方式設(shè)置。

Zigbee的通訊方式主要有3種：點(diǎn)播、組播、廣播。點(diǎn)播，顧名思義是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，也就是2個(gè)設(shè)備之間的通訊，不容許有第三個(gè)設(shè)備收到信息；組播就是將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分組，組員發(fā)出的信息只有組號(hào)相同的組員才能收到；廣播就是1個(gè)設(shè)備上發(fā)出的信息所有設(shè)備都能接收到。

本系統(tǒng)由于終端之間并不要求通訊，只是與協(xié)調(diào)器相互通信，因此將所有的終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)都設(shè)置為點(diǎn)播方式，目標(biāo)地址設(shè)置為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址：

SampleApp_Point_DstAddr.addrMode=

（afAddrMode_t）Addr16Bit；

SampleApp_Point_DstAddr.addr.shortAddr=0x0000；

而對(duì)于協(xié)調(diào)器來(lái)說，為便于協(xié)調(diào)和管理所有的子節(jié)點(diǎn)，宜采用廣播的方式讓所有的子節(jié)點(diǎn)都能收到信息，因此將地址信息設(shè)置為：

SampleApp_Periodic_DstAddr.addrMode =

（afAddrMode_t）AddrBroadcast；

SampleApp_Periodic_DstAddr.addr.shortAddr = 0xFFFF；

（2）串口通信。

串口通信的程序設(shè)計(jì)包括串口初始化、串口發(fā)送和串口接收，其中初始化部分包括配置串口號(hào)、波特率、流控、校驗(yàn)位等。比如，在工程配置選項(xiàng)中的C/C++ Compiler一欄選擇preprocessor，然后在Defined symbols下的白色書寫框中輸入定義的符號(hào)，如果輸入ZTOOL_P1，編譯后系統(tǒng)則選擇串口0進(jìn)行相關(guān)的操作；若輸入ZTOOL_P2，則選中串口1。在mt_uart.h文件中編寫串口初始化宏參數(shù)，例如#define MT_UART_DEFAULT_BAUDRATE、HAL_UART_BR_115200，將波特率設(shè)置為115200bps。

ZStack協(xié)議棧上開發(fā)的串口應(yīng)用可以分為接收部分和發(fā)送部分，接收部分是終端節(jié)點(diǎn)通過串口接收單片機(jī)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)，而發(fā)送部分則是協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，具體如下：

接收部分（見圖4）：終端節(jié)點(diǎn)的Zigbee模塊通過串口接收單片機(jī)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過RF將其發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

發(fā)送部分（見圖5）：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的Zigbee模塊將監(jiān)測(cè)終端傳來(lái)的數(shù)據(jù)呈送給PC機(jī)，以方便用戶通過PC機(jī)了解當(dāng)前室內(nèi)所有房間溫濕度情況。

（3）事件及處理方式。

終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要功能是將數(shù)據(jù)定時(shí)上報(bào)給協(xié)調(diào)器。終端事件來(lái)源于串口接收到的數(shù)據(jù)，將其無(wú)線發(fā)送給設(shè)置好的目標(biāo)地址（協(xié)調(diào)器）；協(xié)調(diào)器的事件則來(lái)源于無(wú)線接收到一幀數(shù)據(jù)，其處理方式是通過串口發(fā)送給PC機(jī)。

圖4接收部分流程圖5發(fā)送部分流程

3.3數(shù)據(jù)采集單元

終端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集單元由單片機(jī)STC89C52和數(shù)字溫濕度傳感器DHT21組成，單片機(jī)使用單總線的方式控制DHT21輸出溫度和濕度，輸出數(shù)據(jù)的格式為：

40bit數(shù)據(jù)=16bit濕度+16bit溫度+8bit校驗(yàn)

如圖5所示，在獲取5字節(jié)數(shù)據(jù)之后即可從中得到溫度和濕度值。

for（i=0；i<5；i++）

Sensor_Data＼[i＼]= Read_SensorData（）；

其中，Sensor_Data＼[0＼]、Sensor_Data＼[1＼]存儲(chǔ)的是濕度量，Sensor_Data＼[2＼]、Sensor_Data＼[3＼]存儲(chǔ)的是溫度量，因此，溫濕度分別為：

humidity = Sensor_Data＼[0＼]*256+Sensor_Data＼[1＼]；

temperature=Sensor_Data＼[2＼]*256+Sensor_Data；若接收到的前32bit數(shù)據(jù)為：0000000111110101_0000000100011010，那么，humidity = 1*256+245=501，temperature = 1*256+26=282，得到最終相對(duì)濕度和溫度。

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)溫濕度監(jiān)測(cè)中布設(shè)線纜方式存在的布線復(fù)雜、成本高、維護(hù)不便以及擴(kuò)展性能較差等不足，本文提出了一種基于ZStack的室內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并給出了主要模塊的軟硬件設(shè)計(jì)框圖和流程圖。本設(shè)計(jì)結(jié)合了Zigbee和嵌入式技術(shù)，為Zigbee的應(yīng)用開發(fā)以及智能家居的智能調(diào)控提供了理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）