基于ZigBee技术的家庭环境监测系统的设计

　　摘　要：主要介绍基于ZigBee 技术的射频芯片CC2420 与M SP430449 单片机为核心的家庭环境监测系统的硬件电路设计方案和软件流程设计。实现了在家庭环境中对温度、湿度以及灯光的控制。

　　随着科学技术的飞速发展， 人们生活水平的不断提高， 一个高度安全， 舒适， 方便的生活环境越来越为人们所向往。而自动控制领域的快速发展， 使这些要求完全被满足。现有的家庭环境监测系统， 有很多是采用有线技术进行传感器网络的组建。这类方案扩展性能差， 布线烦琐， 影响美观， 线路容易老化， 或腐蚀。即使布线选择嵌入墙壁内， 更换起来也十分不方便。采用无线方式构建家庭环境监测系统， 则可以避免这些不必要的麻烦。而且， 无线方式相对灵活， 只要在有效范围内， 传感器终端可以依据要求随意安放。然而， 无线家庭环境监测一直未得到广泛应用， 一个很主要的原因就是目前的无线通讯产品造价很高， 使其广泛推广遇到很大阻力。

　　随着近年来人类在微电子机械系统， 无线通讯， 数字电子方面取得的巨大成就， 使得发展低成本， 低功耗， 小体积， 短距离通讯的传感器成为可能。ZigBee 的出现就解决了这些问题。由于ZigBee 技术具有功耗极低， 系统简单， 组网方式灵活， 成本低等性能， 相对于其他无线网络技术更适合与组建家庭环境监测系统。

　　1　ZigBee 简介

　　随着无线网络技术的快速发展， 许多本来存在的网络服务逐渐走向成熟。近几年来， IEEE （ Institute of Electrical and Electronics Engineer） 802. 11 无线局域网络的普遍以及IEEE 802. 16 无线宽带网络的商业标准化都使得无线网络技术越来越重要， 也有越来越多的相关应用和产品出现。但是大多无线网络技术成本较高， 像蓝牙。所以普及无线网络， 低成本就成了一个至关重要的问题。为了满足低功耗、低成本的无线网络要求， IEEE 标准委员会在2000 年12 月份正式批准并成立IEEE802. 15. 4 工作组， 任务就是开发一个低数据率的W PAN （LR2W PAN ） （无线个域网） 标准。它具有复杂度低、成本极少、功耗很小的特点， 能在低成本设备（固定、便携或可移动的） 之间进行低数据率的传输。

　　因此， ZigBee 应运而生， ZigBee 是部署无线传感器网络的新技术。它是一种短距离、低速率无线网络技术， 是一种介于无线标记技术和B lueToo th （蓝牙） 之间的技术提案。它专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。ZigBee 联盟成立于2001 年8 月， 到目前为止， ZigBee 联盟涵盖了IT 领域以及其他行业的150 多家企业。有了这么多公司的支持， 可以毫不夸张地说：“在未来的数年内， 从家用电器到玩具、从工厂控制到汽车控制， ZigBee 技术将走入我们生活的方方面面。”

　　2　ZigBee 技术优点

　　①数据传输速率低。只有10kb? s～ 250kb?s, 专注于低传输应用。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据， 仅仅传输一些采集到的温度，湿度之类的数据， 所以W SN （无线传感器网络） 对传输速率的需要不是那么高。

　　②功耗低。在休眠状态下耗电量仅仅只有1LW , 通信距离短的情况下工作状态的耗电为30mW , 在低耗电待机模式下， 两节普通5 号干电池可使用6 个月以上。这也是ZigBee 的支持者所一直引以为豪的独特优势。

　　③成本低。因为ZigBee 数据传输速率低， 协议简单， 所以大大降低了成本， 这也正是蓝牙系统所不具备的。无线传感器网络中可以具有成千上万的节点， 如果不能严格地控制节点的成本， 那么网络的规模必将受到严重的制约， 从而将严重地制约W SN 的强大功能。

　　④网络容量大。每个ZigBee 网络最多可支持65 000个节点， 也就是说每个ZigBee 节点可以与数万节点相连接。由于W SN 的能力很大程度上取决于节点的多少， 也就是说可容纳的传感器节点越多，W SN的功能越强大。所以ZigBee 的网络容量大的特点非常符合W SN 的需要。

　　⑤有效范围小。有效覆盖范围在10m～ 75m 之间，但是可以扩展到数百米， 具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定， 基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

　　⑥工作频段灵活。使用的频段分别为2. 4GHz、868MHz （欧洲） 及915MHz （美国） , 均为免执照频段，具有16 个扩频通信信道。

　　⑦安全。ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能， 硬件本身支持CRC 和A ES- 128。

　　⑧自动动态组网、自主路由。W SN 网络是动态变化的， 无论是节点的能量耗尽， 或者节点被敌人俘获，都能使节点退出网络， 而且， 可以向已有的网络加入新的传感器节点。这就希望W SN 能具有动态组网、自主路由的功能， 而ZigBee 技术就正好能解决了W SN 的这一需要。

　　3　系统方案设计

　　在基于ZigBee 技术的家庭环境监测系统中， 数据采集终端包括温度传感器， 湿度传感器和灯光调节器。

　　其中温度传感器可测量室内温度， 将测量的温度发送给MCU ,MCU 将数据通过SP I 总线传递给无线收发芯片， 无线收发芯片将数据以无线的方式发送给数据接收端。湿度传感器类似。数据接收端接到数据后由MCU 处理数据： 如果温度， 湿度正常， 液晶显示该温度和湿度； 如果温度值超过指定范围长达某个设定时间长度， 报警（蜂鸣器）。且液晶显示该温度， 湿度类似。

　　实时时钟显示数据采集的时间。

　　①硬件平台设计。系统主要由数据采集端和数据接收端构成。数据采集端由传感器。MCU 和无线收发芯片组成。MCU 与无线收发芯片通过SP I 总线连接，二者构成无线传输模块数据接收端采用相同的无线收发模块， 并利用RS232 与PC 机通讯。其功能相当于一个接入点， 一方面将主机向数据采集端发送的控制信号以无线的方式发射出去， 另一方面接受采集数据并上传给PC 机。

　　如图1 所示， 主控MCU 选择的是M SP430F449单片机， 选择该芯片的原因是该芯片是一种超低功耗的单片机， 具有SP I 通讯方式和6 个I/O 口。采用CC2420 的原因是CC2420 支持ZigBee, 是一款低成本，低功耗， 高性能的无线收发芯片。其工作频段为214GHz 的ISM 频段具有良好的无线接收灵敏度和强大的抗干扰能力， 正常工作时需要的外围功能电路少，与主控制器接口简洁， CC2420 的选择性和敏感性指数超过了IEEE 802. 15. 4 标准的要求， 可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kb/s , 可以实现多点对多点的快速组网。对CC2420 的控制和操作十分方便。

　　②软件设计。系统的软件由C 语言编写， 主要包括数据采集端和数据接收端的程序。其包括初始化程序， 发射程序和接受程序。初始化程序主要是对单片机， 无线收发芯片， SP I 等进行处理； 发射程序将建立好的数据包通过单片机送至无线收发芯片输出； 接受程序完成数据的接受并进行处理。下面将给出数据采集端和数据发送端的软件流程图。如图3、图4 所示。

　　4　结　论

　　利用TI 公司的M SP430F449 和CC2420 设计的家庭环境监测系统不仅可以用在家庭中， 也可以用于医院环境监测、农业环境监测、工业环境监测等等。只需将传感器换成可以完成特殊要求的即可。相信通过ZigBee 的爱好者努力一定能将ZigBee 推向一个新的研发高峰。

参考文献:

[1]. CC2420  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/CC2420+_213269.html.
[2]. RS232  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/RS232+_585128.html.
[3]. PC  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PC+_2043275.html.