摘要：针对环境监测系统布线复杂、数据实时性低、准确性低等问题，提出了基础ZigBee分布式传感器网络平台的技术。选用SHT75传感器准确收集监测点的温湿度信息，并通过CC2530芯片和CC2591射频前端组建的ZigBee网络完成数据的远程传输和汇聚。通过阈值比较数据，可以进行声光报警或GSM短信报警。同时，收集的温湿度信息将通过Z-ScnsorMonitor软件在PC实时显示和存储端。该系统提高了数据的实时性和可靠性，降低了环境监测成本。
引言
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)汽车电子、工业控制、家庭自动化家庭自动化、环境监测等领域。但现有的环境监测系统往往存在通信距离短、覆盖面小、数据准确性低、设备体积大等缺陷。同时，由于监测点大多在现场、机房、企业污水排放点等无人值守的地方，工作人员需要定期到现场检查设备的运行状态和维护，无法保证数据的实时性和故障排除的及时性。鉴于此，本文设计了一个基础ZigBee技术的分布式传感器网络(DSN)平台，采用分布式采集，集中式管理策略，并以采集环境温湿度信息为例，实现了远距离的实时温湿度精准采集。
1 系统的整体结构和功能
系统采用模块化设计理念，根据无线传感器网络的系统架构，定义了传感器节点、聚合节点（协调器和路由器）和管理节点。系统的总体结构如图1所示。根据监测需要，传感器节点分布在不同的地方，具有体积小、可移动、自适应等特点。无线传输网络负责实时传输、路由中继和收集收集的数据，包括ZigBee网络和无线传感器GSM移动通信网络。手机可用于管理节点，PDA、或嵌入式处理器PC这里用的机器等PC接收监控点信息，提供人机交互操作接口，实现环境数据的实时显示和存储；使用移动终端实现远程监控和报警。
2 硬件电路设计系统
2．1 无线传输单元
无线传输单元是系统设计的核心CC作为系统的2530芯片MCU，它是TI公司针对2．4GHz ISM第二代出的第二代支持ZigBee／IEEE 片上系统集成芯片，802.15.4协议。CC增强型8051核集成在2530内，8路输入12位ADC还有看门狗定时器，所以只需要很少的外围电路就可以建造一个简单的ZigBee节点。必要的外围电路包括晶振电路、电源电路、复位电路、无线收发电路等。因为技术比较成熟，这里就不赘述了，可以参考参考文献。
为保证网络传输质量，扩大网络覆盖面积，选择TI性价比高，集成度高的2.4 GHz射频前端CC2591。适用于低功耗、低压的无线传输系统。CC功率放大器集成在2591内(PA)输出功率可达 22dBm，它保证了信号的大功率输出；同时，它还集成了6的接收灵敏度 dB低噪声放大器(LNA)。基于上述特点，采用CC2591射频前端的ZigBee无障碍节点的传输距离可达500~800m，是原距离的10倍以上，网络覆盖面积大大增强。CC2530芯片与CC射频前端的硬件连接图如图2所示。
使用CC25914个数字引脚PAEN、EN、HGM、RXTX控制芯片的状态。接收信号时，当HGM=1采用高增益模式，增益为11dB；HGM=0采用低增益模式，增益为1 dB；无论发射信号HGM为1或0或悬空，信号均放大。另外，CC2591的RF_P、RF_N引脚须与CC2530的RF_P、RF_N对应连接，保证RF_P、RF_N从功率放大器输出正/负射频信号，在接收过程中输入正/负射频信号到低噪声放大器。
2．2 数据采集单元
传统的温湿度采集通常采用温度传感器DS18B湿度传感器20HS数据融合算法复杂，准确性低。采用基于CMOSens新型数字温湿度传感器技术SHT不仅提高了数据采集的精度，而且保证了系统的长期稳定性。相对测湿精度为±1．8％RH，而在25℃时的测温精度可以达到±0．3℃，因此，特别适用于特殊环境下温湿度的温湿度。
SHT75采用4引脚单排直插式包装，供电范围为2.4~5.5 V，如图3所示。DATA引脚是双向串行数据收发引脚，可以连接CC2530的任意GPIO在这里连接引脚实现数据通信P0_3。另外，为避免信号冲突，CC低电平驱动应采用2530DATA因此，引脚连接了10个 kΩ上拉电阻，当CC当2530输出低电平时，将信号拉到高电平驱动DATA引脚。SCK将引脚连接到串行时钟CC2530的P0_2引脚实现同步通信，控制读取温湿度数据。
鉴于CC每个传感器节点可连接2530最小系统的可扩展件1~3个传感器。同时，为了方便CC2530和GPIO所有的数据传输ZigBee节点的应用程序必须保证多个数据链路，两个对等ZigBee为了降低系统成本，节点间使用相同的无线信道与多个接口创建虚拟链路。
2．3 报警单元
系统报警单元采用声光报警与远程短信报警相结合，确保报警及时准确，无漏警。
对于声报警电路，鉴于无源蜂鸣器频率可调，系统采用无源蜂鸣器实现温湿度的差异。由于CC2530的I／O引脚电流最大只有20 mA，驱动能力有限，所以使用一个PNP8550型三极管放大电流驱动蜂呜器。当温度和湿度超过安全阈值时，不同频率的驱动方波通过特定程序输出，并发出不同的报警信号。采用普通发光二极管即可实现光报警电路，其正极通过限流电阻连接3.3 V确保灌溉电流不超过电源MCU负极可以直接接收到允许值CC2530的GPIO。声光报警电路如图4所示，两者相互配合，能更好地实现温湿度的差异。
此外，为了实现系统的远程远程监控和报警，增加了协调节点GSM短信报警单元。德国西门子公司的选择TC35i它可以支持中文短信，并在模块中工作GSM 900MHz和GSM 1800 MHz模块主要由双频段组成GSM基带处理器，GSM闪存，射频模块，供电模块，ZIF六部分由连接器和天线接口组成。其数据输入/输出接口实际上是串行异步收发器，其18引脚RXD、19引脚TXD均为TTL电平串口通信引脚分别连接到CC2530的GPIO串口数据的收发可以实现。使用时只需通过CC2530发送AT可以控制指令TC35i短信报警。
3 系统软件设计
3．1 数据采集程序
SHT75内部前端集成有I2C因此，数据采集程序需要完全遵循I2C总线的通信协议即进行CC收集指令和接收指令应遵守2530SHT时序编写75。CC2530向SHT75发送的测温命令为0000011，测湿命令为0000101，所有数据均从MSB开始。测量和通信后，SHT75自动转入休眠模式。
传感器采集的温湿度数据可通过串口调试助手SComAssistant在PC图5为端显示SHT75收集数据。可见，当前环境的相对湿度范围为49.5~50.1%RH，温度为25.4~25.7℃，数据稳定可靠，误差可控，能够准确收集温湿度信息。
3．2 ZigBee-WSN软件设计
ZigBee网络的建立和运行是整个无线传感器网络系统的关键，关系到数据的可靠性和系统的稳定性。整个系统的工作流程如图6所示。
系统上电后，首先对硬件和网络进行初始化。CC2530采用ZigBee2007协议栈，协议栈的初始化可以通过TI公司提供的Z-Stack完成，Z-Stack它是一种可以完成硬件初始化、网络初始化等大部分功能的轮转查询操作系统。ZigBee网络的建立实际上是通过协调器及其子节点的绑定来实现的。首先，协调器通过网络层函数NLME_NetworkFormationRequest并通过建立网络zb_AllowBind函数进入允许绑定模式。子节点发出绑定请求zb_BindDevice协调器建立绑定表并响应绑定要求后，绑定成功意味着建立通信。当其他节点加入网络时，执行相同的步骤，并不断更新绑定表。绑定表包含16个网络地址和64个节点IEEE地址和端口号。网络地址用于路由机制和数据传输，而IEEE地址是节点的唯一标志。ZigBee如图7所示。
系统初始化后，前端节点开始收集数据。数据将通过无线网络传输和收集PC实时显示，声光报警和短信报警可在阈值比较后进行。
3．3 管理节点软件
选择管理节点TI公司配套的Z-SensorMonitor该软件可以生动地显示网络的拓扑结构和每个节点的状态信息。另外，Z-SensorMonitor提供数据存储和恢复功能，可以将16进制数据输出到后缀。log在文本中，并添加时间戳，以便于未来系统状态的回顾和再现。故采用Z-SensorMonitor可实时显示各监测点的温湿度和整个网络的运行状态，图8为实验过程中收集的实时网络状态信息。
结语
对无线传感器网络系统进行功能测试发现，SHT75传感器节点能够准确地收集到监测点的温湿度信息，数据符合监测点的实际情况。ZigBee网络和无线传感器GSM移动通信网络传输后，数据稳定可靠，满足实时温湿度采集的要求。