摘要：無線傳感器網絡采用ZigBee技術，協議棧使用TI的Z-Stack，網絡拓撲結構為樹形，文章給出了系統(tǒng)設計方案，畫出了傳感器節(jié)點和協調節(jié)點的硬件框圖，并開發(fā)出PC機上的管理軟件。
關鍵詞：無線傳感器網絡；Z-Stack；CC2531；CC2533；SHT11

0 引言
    在物聯網技術的推動下，無線傳感器網絡技術在社會的各方面取得了很多實際有效的應用，相比使用傳統(tǒng)技術節(jié)省了大量的人力、物力。本文設計的無線傳感器網絡，是一種基于ZigBee技術的無線監(jiān)測系統(tǒng)，可實時采集蔬菜大棚內溫度和濕度，從而便于種植戶根據檢測到的蔬菜生長環(huán)境做適當的調整，提高產量，獲得更大的效益。適用于較大規(guī)模的蔬菜種植基地。
    完整的Zigbee協議棧由物理層、介質訪問控制層、網絡層、安全層和高層應用規(guī)范組成，ZigBee協議棧的核心部分在網絡層，網絡層主要實現節(jié)點加入或離開網絡、接收或拋棄其他節(jié)點、路由查找及傳送數據等功能，支持Cluster-Tree、AODVjr、Cluster-Tree+AODVir等多種路由算法，支持星形(Star)、樹形(Cluster-Tree)、網格(Mesh)等多種拓撲結構，而應用層根據自己的需要做開發(fā)。

1 系統(tǒng)總體設計
    本文所設計的無線傳感器網絡協調節(jié)點負責采用ZigBee組建網絡，并通過USB接口與PC完成數據交換功能；傳感器節(jié)點負責采集蔬菜大棚內的溫濕度值并發(fā)送和轉發(fā)該數據至協調節(jié)點，相反也可以接收并轉發(fā)協調節(jié)點傳送過來的指令信息；整個系統(tǒng)的通信基于ZigBee技術實現，在該穩(wěn)定網絡之上實現無線傳感器網絡中傳感器節(jié)點與協調節(jié)點之間的數據和控制信息的交互。圖1系統(tǒng)框圖。

2 傳感器節(jié)點
    傳感器節(jié)點通過傳感器SHT11采集蔬菜大棚內的溫度和濕度值，經CC2533處理通過2．4G天線傳送出去；相反，天線收到控制指令后交給CC2533芯片，由其做出相應操作。
    SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術的新型溫濕度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術與傳感器技術結合起來，從而發(fā)揮出它們強大的優(yōu)勢互補作用。溫濕度傳感器的主要特性如下：1)將溫濕度傳感器、信號放大、A／D轉換、I2C總線接口全部集成于一個芯片(CMOSensTM技術)；2)可給出全校準相對濕度及溫度值輸出；3)具有露點值計算輸出功能；4)具有卓越的長期穩(wěn)定性；5)濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位和8位；6)小體積(7．65×5．08×23．5mm)，可表面貼裝；7)具有可靠的CRC數據傳輸校驗功能；8)片內裝載的校準系數可保證100％互換性；9)電流消耗測量時為550μA，平均為28μA，休眠時為3μA。

    CC2533芯片為TI公司生產的2．4GHz射頻系統(tǒng)單芯片，該單芯片上整合了ZigBee RF前端、內存和微控制器。其主要特點如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE 802．15．4標準的2．4GHz的RF無線電收發(fā)機；卓越的無線接收靈敏度和魯棒性；在休眠模式時僅1 μA的流耗；硬件支持CSMA／CA功能；具有I2C接口；數字化的RSSI(接收信號強度指示)／LQ I(鏈路質量指示)支持和強大的5通道DMA(直接存儲器存取)功能；具有電池監(jiān)測功能；集成AES(高級加密標準)安全協處理器；帶有2個強大的支持幾組協議的USART(通用異步同步收發(fā)器)，以及1個符合IEEE802．15．4規(guī)范的MAC(媒體訪問控制層)計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器；23個可編程的I／O引腳。

3 協調節(jié)點
    無線傳感器的網絡的協調節(jié)點需要承擔起來無線網絡組建、上行數據和下行指令轉發(fā)的工作，在無線傳感網絡中，協調器主要處理五方面的工作：1) 將終端設備添加進無線傳感網絡中；2)接收終端設備發(fā)送的數據并進行處理，然后通過usb口發(fā)給計算機進行處理或顯示；3)接收計算機通過usb口發(fā)送的指令信息，經過處理后發(fā)送給相應的終端設備；4)將終端設備從無線傳感器網絡中移除；5)終端設備工作狀態(tài)顯示與自動報修。
    CC2531芯片為TI公司生產的2．4GHz射頻系統(tǒng)單芯片，該單芯片上整合了ZigBee RF前端、內存和微控制器。其主要特點如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE 802．15．4標準的2．4GHz的RF無線電收發(fā)機；卓越的無線接收靈敏度和魯棒性；在休眠模式時僅1μA的流耗；硬件支持CSMA／CA功能；USB2.0認證的全速設備(12Mbps)；數字化的RSSI／LQ I支持和強大的5通道DMA(直接存儲器存取)功能；具有電池監(jiān)測和溫度感測功能；集成了12位ADC；集成AES(高級加密標準)安全協處理器；帶有2個強大的支持幾組協議的USART(通用異步同步收發(fā)器)，以及1個符合IEEE802．15．4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器；21個可編程的I／O引腳。圖3協調節(jié)點硬件框圖。

4 軟件
    根據本系統(tǒng)的需要，應用層的開發(fā)使用IAREmbedded Workbench軟件修改Z-Stack協議棧，編譯、下載并調試。協調節(jié)點通過USB口與電腦連接，用C++開發(fā)USB驅動程序；電腦與協調節(jié)點為上下位機，在協調節(jié)點CC2531的RAM中劃分出緩存區(qū)，電腦和協調節(jié)點都可以從緩存區(qū)讀寫數據；使用VB編寫管理顯示界面，如圖4所示，每一個蔬菜大棚為一個分組，其中放有若干個傳感器節(jié)點，可以對分組和節(jié)點進行添加、刪除、對應和備注；可以自己設定時間使傳感器節(jié)點采集并送回溫、濕度數據，也可以實時操作。

5 結束語
    本文設計的無線傳感器網絡可以滿足種植戶實時監(jiān)測蔬菜大棚內溫濕度的基本需要，系統(tǒng)組網簡單，使用方便。為了使系統(tǒng)更加完善，計劃在下一步開發(fā)過程中，重點改進以下兩個方面的功能：優(yōu)化節(jié)點間通信的路由算法和節(jié)點能量控制。本文對其它無線監(jiān)測網絡的設計具有一定的參考價值，如森林火災預警系統(tǒng)、礦震監(jiān)測系統(tǒng)等。