基于Z―Stack的无线温湿度采集系统

摘要：针对现有的有线温湿度采集系统，存在系统布线复杂、维护困难、成本高等问题，提出一种基于Z—Stack的无线温湿度采集系统设计方法。设计采用CC2430射频芯片及SHT11数字温湿度传感器，在ZigBee协议栈的基础上进行开发。阐述了系统的原理，节点的硬件设计和软件设计。实验表明，该系统能够稳定可靠的实现温湿度数据的采集。
关键词：温湿度；CC2430；SHT11；协调器；节点；Z—Stack；无线通信

0 引言
在现代工农业生产中，进行环境的温湿度检测是必不可少的内容。目前，很多场合的测温湿系统采用的还是传统的有线测温湿度设备，传统的多点分布式温湿度测量系统采用有线传输方式，需要在现场进行大量布线，这给系统的布设、维护和更新升级带来诸多不便。
ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它依据IEEE 802．1 5．4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。它使用2．4GHz波段，采用调频及扩频技术，具有短时延、网络容量大等特点。Z igBee无线网络主要是为工农业现场自动化控制数据传输而建立。本文设计了一种基于无线射频技术的温湿度监测系统，它以射频芯片CC2430为核心，在数字温湿度传感器SHT11的配合下，在ZigBee协议栈的基础上进行应用开发，能够高效地完成环境温湿度的无线监测，可以有效解决复杂布线带来的不便。

1 系统原理
本文设计的是基于Z—Staek的无线温湿度数据采集系统，在TI的Z—Stack 1．4．2协议栈的基础上，实现无线组网及通信。即协调器自动组网，终端节点(附带温湿度传感器)自动入网，并采集温湿度数据广播传输，协调器接收到信息后将温湿度数据通过串口发送给PC计算机显示。以此实现基于Z—Stack协议栈的温湿度数据的无线透明传输，其原理框图如图1所示。

本系统主要由五个单元模块构成：数字温湿度传感器、传感器节点、协调器、上位机和能量供应模块组成。数字温湿度传感器模块，负责区域内的温湿度信息采集和数据转换；传感器节点中的微控制器负责控制整个传感器节点的操作和数据存储；ZigBee无线收发模块负责对信号进行处理发送；传感器节点由温湿度传感器SHT11检测得到温湿度信息，并转化为数字信号，传输至CC2430，由CC2430负责对信号进行处理发送。节点电源部分使用两节AA电池，通过一个电压转换芯片BL8555将电压转化成3．3 V。其中协调器是汇聚节点，多个温湿度传感器节点放置于不同的监测区域，每个传感器都会把采集的温湿度送给传感器节点，再由传感器节点把数据通过ZigBee无线传输给协调器，然后协调器统一把数据传送给上位机做进一步处理和显示。

2 硬件设计
2．1 传感器节点硬件设计
传感器节点主要由数字温湿度传感器、微控制器及无线通信电路组成。传感器节点的主控制器实时采集处理温湿度数据后，将数据传递给CC2430无线通信模块，以实现数据的定时发送。
2．2 通信节点硬件设计
协调器负责建立无线网络、发送网络信标、存储网络节点信息、对消息进行路由选择等任务，其硬件组成主要包括处理器、时钟电路、存储器、电平转换电路、天线等部分。在本系统中协调器节点采用CC2430为核心的控制器，它只需少量的外围电路即可实现无线通信功能，硬件电路如图2所示。