在智能家居的環境監測、礦井的環境監測、糧倉的環境監測、農業大棚的環境監測中，如果采用傳統的有線監測方法，會導致布線繁瑣、建置成本高、維護不方便以及系統的可擴展性和移動性差等問題。無線監測系統不僅省去了大量的布線工作和維護費用，而且網絡部署更加規范。近年來，無線技術以它優越的靈活性和便捷性在網絡應用中發揮著日益重要的作用。
1 系統設計
1．1 ZigBee無線網絡
ZigBee數傳網絡一般由協調器(Coordinator)、路由器(Router)節點和傳感器(End-Device)節點組成。協調器是一個全功能設備FFD(Full Function Device)，負責創建、維護整個ZigBee無線模塊網絡，并為加入網絡的節點分配地址，每個網絡必須有而且只能有一個協調器。路由器也是全功能設備，負責信號的路由，根據實際情況設定個數。
傳感器節點，又稱終端設備，是一個半功能設備RFD(ReducedFunction Device)，負責信號識別和數據發送，由多個組成。
根據節點的組合不同可以形成星型、樹形和網狀型三種網絡拓撲結構，它對于網絡管理、網路節點間的數據傳輸起著很重要的作用。ZigBee無線模塊網絡構架后，進行數據通信時，需要為每個設備分配一個網絡地址，地址的分配取決于整個網絡拓撲結構，并由三個值決定：網絡的最大深度、每個父節點擁有的最大孩子節點個數和每個父節點擁有的最大孩子節點中路由器的最大個數。但網絡地址無需人為計算，系統會自動分配。
1．2系統設計
本系統采用星形無線傳感器網絡結構，由一個協調器節點和若干傳感器節點組成，結構如圖1所示。上位機通過USB轉RS232與協調器節點有線相連，協調器通過ZigBee無線數傳方式與傳感器節點相連。協調器建立ZigBee數傳模塊網絡后，傳感器節點上電后將自動與協調器對話，匹配成功后加入ZigBee無線網絡。然后通過ZigBee數傳模塊將傳感器節點數據傳輸至協調器，協調器再將數據傳輸至上位機，由上位機完成數據處理和保存，實現環境參數的ZigBee數據采集。
圖1 網絡結構圖
2 硬件設計
本系統的硬件設計主要涉及兩類節點的設計，傳感器節點和協調器節點。目前ZigBee無線模塊節點一般有兩種模式：一種是將整個系統集成在一塊模塊上；另一種是將ZigBee射頻收發模塊設計成單獨模塊。前者系統集成性比較好、體積小，但兼容性比較差，后者擴展性比較好，可與其他的無線射頻模塊使用，也可用于其他用途的無線網絡系統。本系統就采用第二種方式，傳感器節點和協調器節點采用相同的ZigBee無線模塊。
2．1傳感器節點
系統采用CC2530單芯片，它是基于IEEE 802．15．4標準和ZigBee技術應用，結合了RF收發器、增強型的8051 CPU、存儲器和ZigBee協議棧等，只需稍加外圍電路和內部編程即可完成無線組網通信和ZigBee數據采集。基于CC2530芯片設計無線射頻模塊，體積小、功耗低、通訊可靠、效率高，結構如圖2所示。
圖2 傳感器節點硬件結構圖
2．2協調器節點
協調器節點采用圖2傳感器節點硬件結構圖是整個系統的核心，負責各傳感器節點的工作，還要把傳感器節點的數據發送給上位機。因此在協調器節點設計中除了采用與傳感器節點相同的ZigBee數傳模塊外，還應具有與上位機通訊的電路，如圖3所示。
圖3 協調器節點硬件結構圖
3 軟件設計
3．1上位機
本系統控制由上位機執行，上下位機有問有答，無答不執行。上位機操作界面由VB編寫，形象直觀、操作方便。上位機工作時首先進行串口初始化，然后檢測是否有網絡存在，如果存在就采集環境參數，具體流程如圖4所示。
圖4 上位機工作流程
3．1協調器節點
協調器上電配置物理信道主動掃描，選擇合適的物理信道和網絡號，建立起網絡。協調器根據來自上位機采集數據的命令，根據網絡地址進行數據發送和接收，具體工作過程如圖5所示。
圖5 協調器節點主流程圖
3．2傳感器節點
傳感器節點上電后，根據配置物理信道被動掃描，選擇合適的物理信道和網絡號并加入網絡。
根據來自協調器命令，進行數據采集和發送，具體工作過程如圖6所示。
圖6 傳感器節點主流程圖
4 調試與應用
本測試系統由上位機和下位機組成。下位機主要由1個協調器節點和3傳感器節點組成，協調器和傳感器節點1放在室內，傳感器節點2放在走廊，傳感器節點放在室外，并在不同時間點對該系統進行了溫度和光度的測試，結果如表1所示。
表1 溫度測試對比表
5 結束語
本文構建了一個基于CC2530的ZigBee無線網絡系統，并對溫度、光度進行了ZigBee數據采集測試，結果表明，系統可靠、測量結果精確。該系統不僅可以測量溫度，還可推廣測量其他環境參數，如濕度、煙霧等，同時該系統還可以推廣至其它領域的應用，如校園的安防系統、老年公寓的監護系統等。