用于环境监测的ZigBee无线传感器节点设计

本栏目责任编辑：贾薇薇计算机工程应用技术Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第5卷第1期(2009年1月)用于环境监测的ZigBee 无线传感器节点设计毛乾杰（同济大学电子信息与工程学院，上海200092）摘要：温室环境监测采用基于ZigBee 技术的智能网络化传感器有着很明显的优势。

ZigBee 网络容量大、功耗低、易于扩充并且支持自组织组网。

该文设计了一种ZigBee 无线传感器监测节点，介绍了基于ZigBee 协议构建的无线数据采集网络，包括传感器节点的软、硬件设计。

实验证明：节点工作状况良好，整个网络具有较高的可行性，可以实现对环境温湿度、光强等信息进行实时、准确的监测。

关键词：无线传感器网络；Zigbee ；环境监测中图分类号：TP212文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2009)01-0232-03Design for ZigBee Wireless Sensors Nodes Used in Environmental MonitoringMAO Qian-jie(Electronic Information and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:ZigBee-based wireless sensor network in greenhouse environmental monitoring has many remarkable advantages due to its large capacity,low-power,good scalability and self-organization of nodes in sensor networks.It mainly discussed a ZigBee wireless sensor net -works applied in the greenhouse.And it introduced the application data collecting network based on ZigBee protocol in detail,including the monitoring host computer software and the hardware design of sensor node.Keywords:WSN;zigbee;environmental monitoring1引言无线传感器网络(Wireless sensor Network ，WSN)是由部署在监测区域内的大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。

其作用是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。

无线传感器网络系统与传统的有线传感器网络相比，具有耗资小、安装方便、维护和更新费用低等优势，非常适用于对布线困难、人员不能到达的区域和一些临时场合的状况进行远程监测，如大型建筑的健康状态监测、空间探索、灾害预测等，也因此成为国际上的前沿热点研究领域。

本文从温室环境监测的应用考虑，设计了一种可用于对外部环境中温度、湿度和光强进行精确采集的WSN 节点，并详细介绍了节点系统的硬件和软件设计方案。

2系统概述整个无线传感器网络由若干无线传感器网络终端节点、1个汇聚节点和1个监控中心组成。

无线传感器网络终端节点完成数据采集、预处理和通信工作；汇聚节点负责网络的发起和维护，收集终端节点数据并与监控中心进行信息交互;监控中心负责数据处理和网络管理，并具有人机交互界面，可实现用户对整个系统的操作。

为了实现对某一区域内温度、湿度、光强信息的监测，应首先用无线传感器网络终端节点覆盖该区域，然后通过汇聚节点对终端节点所采集的数据进行收集并且传送给监控中心，最后由监控中心对所采集的数据进行分析处理。

网络中的数据传输以多跳的方式进行，每一个终端节点不仅发送自己采集的数据，而且也可以转发其他节点的数据。

汇聚节点与终端节点在硬件配置上基本相同，只是在软件设计上有所不同。

当汇聚节点出现故障时，为了保证网络工作的正常，可以通过预先的设置，使终端节点改变工作状态成为汇聚节点，从而提高了整个网络的鲁棒性。

3Zigbee 技术概述ZigBee 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。

ZigBee 采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；ZigBee 增加了逻辑网络、网络安全和应用层。

ZigBee 联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。

在zigbee 网络中有3种角色的节点：网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。

发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。

全功能设备(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD 或是精简功能装置（RFD ）连FFD 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。

精简功能设备(RFD)：RFD 只能传送信息给FFD 或从FFD 接收信息。

附带有限的功能来控制成本和复杂性，在网络中通常用作终端设备。

4无线传感器网络终端节点硬件设计4.1节点硬件体系结构无线传感器网络终端节点由4部分组成:传感器模块、无线微控制器模块、串口通信模块以及能量供应模块。

节点的硬件体系结构如图1所示。

无线微控制器模块是整个节点的核心，本系统选用JN5121-Z01-M0l 无线微控制器模块，负责对传感器节点进行控制和管理，包括数据存储、数据处理、路由选择、向其他节点传输无线数据和命令、任务管理和电源管理等。

能量供应模块负责为传感器提供收稿日期：2008-11-10ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术Vol.5,No.1,January 2009,pp.232-234E-mail:kfyj@ Tel:+86-551-56909635690964232运行所需能量，本设计中选用2节1.5V干电池为系统供电。

4.2无线微控制器模块JN5121是Jennic公司的一款低功耗、低成本并且与ZigBee 协议完全兼容的无线微控制器。

它片内集成了1个32位的RISC 核，以及1个完全符合IEEE802.15.4规范的2.4GH:的无线收发器。

JN5121具有丰富的片内资源，包括1个64KBROM、1个96KB RAM、1个128位AES安全协处理器和1个高效的电源管理器;还具有4路12位AI又，2路1位DAC，2个比较器，1个片内温度传感器，3个系统时钟和2个用户时钟。

同时，为了方便连接各种外部设备，JN5121还提供了2个UART端口、1个带有5个片选线的SPI接口，以及1个兼容SM-BUS和I C的串行接口。

JN5121-Z01-M0l无线微控制器模块是将1片JN5121芯片、1个16MH晶振以及1个128KB的Flash存储器，集成封装在一起的小型PCB模块。

该模块具有高度集成性和丰富的硬件资源，使得外围电路的设计变得十分简单，其接口电路如图2所示。

4.3传感器模块温湿度传感器采用SHTxx系列温湿度一体传感器，SHTxx系列温湿度一体传感器是由瑞士Sensirion的一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。

SHTxx采用串行接口，它的分辨率可以根据对现场的采集速率而进行调整，一般情况下默认的测量分辨率分别为14bit（温度）、12bit（湿度），如果在高速采集中就可分别降至12bit和8bit，对温度的量程范围：-40～123.8℃，湿度的量程范围：0～100%RH。

它操作比较简单，只需用一组“启动传输”时序，就能实现传感器数据传输的初始化，同时，在测量和通讯结束后，SHTxx会自动转入休眠模式，这大大的减少了功耗。

光传感器采用TAOS公司的TSL2550型光照传感器，它配备有2个光电探测器，探测器0检测环境中可见光和红外光总的光照度，探测器1只检测环境中红外光光照度。

探测器1的红外探测结果用于减小红外光在检测结果中的影响。

在TSL2550提供的与SMBUS兼容的输出信号中包含了这两个光电探测器检测的结果，从而使红外光的影响减到了最低，即检测结果与人的肉眼所感觉到的光强十分相似。

TSL2550内部还集成了一个模数转换器，可以直接将检测的结果转换成串行数字信号输出，简化了硬件的设计。

传感器模块与JN5121的连接如图3所示。

4.4串口通信模块串口通信模块选用芯片ADM3312，工作电压范围是2.7～3.6V，功耗低且具有节能模式。

在本设计中，串口部分具有2种工作方式:当跳线RS232PROGRAM选择连接到PGM端口时，JN5121-Z01-M0l可以通过此串口下载程序;当跳线连接到DIO4时，该串口即为一般意义上的RS232通信接口，可以用来与计算机进行数据传输。

串口通信模块的接口电路如图4所示。

5软件设计本系统中，无线传感器网络终端节点软件负责采集本地传感器的信息，以及通过ZigBee协议栈将采集的数据包传送到汇聚节点。

为了降低功耗，终端节点选择“睡眠一被唤醒一正常工作”的工作模式。

节点启动后，首先申请入网；若入网成功，且无其他任务需要执行，则进入睡眠状态，此时接收器处于监听状态；一旦终端节点收到汇聚节点或其他邻近节点的数据采集或转发命令，则节点被唤醒，进人正常工作状态，开始处理相应的任务；任务完成后，节点将再次进人睡眠状态。

终端节点的工作流程如图5所示。

为了提高数据传输的可靠性，网络选用网状拓扑结构，即在软件中设置本地节点可以通过其他路由节点与协调器节点进行通信，扩大了节点的覆盖面积，并且确保系统在个别节点故障的情况下，其他节点的工作不受影响。

图1无线传感器网络终端节点硬件体系结构图2JN5121微控制器模块接口电路图3传感器模块接口电路图4串口通信模块接口电路毛乾杰：用于环境监测的ZigBee无线传感器节点设计233计算机工程应用技术本栏目责任编辑：贾薇薇本栏目责任编辑：贾薇薇计算机工程应用技术Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术第5卷第1期(2009年1月)6试验结果图6是监控中心采集的网络中多个节点的温湿度及光强信息。