引言

在信息化、智能化及物联网飞速发展的背景下，传统的有线测量和监控方式已不能适应技术需求，在众多短距离无线通信协议中，ZigBee技术具有以下优势：

① 成本低，开发相对容易，芯片CC2530的售价不到2美元，且免费提供ZigBee通信协议和开发工具。

② 能耗低，CC2530正常使用时功率不到1 W。

③ 可靠性好。

④ 传输距离远。

⑤ 组网方式灵活[1]。ZigBee技术的缺点是传输速率不够，但也完全能满足无线传感监控的需要。本研究正是基于ZigBee技术，设计了一种成本低、功耗低、可靠性高、易实砚、易扩展的无线传感闭环监控系统。

图1 无线传感闭环监控系统

1 无线传感闭环监控系统整体设计

无线传感闭环监控系统主要由ZigBee无线传感器节点、ZigBee协调器、监控平板、ZigBee继电器组成，其整体框架如图1所示。

ZigBee无线传感器节点主要负责采集仓储环境的温度、湿度、光照度、可燃气体、火焰、人体感应数据，数据处理后再根据预先设定的点对点通信参数，通过ZigBee无线通信协议将感知数据转发到ZigBee协调器。

ZigBee协调器负责接收感知数据，并将接收到的数据通过RS232串口传送到监控平板；同时ZigBee协调器负责从RS232串口接收从监控平板发来的控制命令，并通过ZigBee无线通信协议将控制命令发送到ZigBee继电器。监控平板通过可视化界面，实时、动态地显示各感知监控数据状况，同时具备启用逻辑设定功能，启用逻辑设定后，一旦感知数据超过临界安全值，便采取闭环控制策略，将控制信号通过RS232发送至ZigBee协调器，再由ZigBee协调器转发给ZigBee继电器。

ZigBee继电器负责接收ZigBee协调器发来的控制命令，主要通过打开、关闭两种命令模拟各种闭环控制场景，如ZigBee继电器1模拟加热装置，当温度低于临界值时，开启ZigBee继电器1。ZigBee继电器2模拟空调，当温度高于临界值时，开启ZigBee继电器2；当温度正常时，关闭ZigBee继电器1和ZigBee继电器2。ZigBee继电器4模拟报警装置，当窗口有人时开启，无人时关闭。

2 系统硬件设计

2.1 各ZigBee节点硬件设计

2.1.1 ZigBee无线传感器节点硬件设计

ZigBee无线传感器节点硬件上由传感器、CC2530芯片、外围电路、电池组成，如图2所示。

其核心为TI公司的芯片CC2530。其中，电池、CC2530芯片及其外围电路组成处理器及通信底板，该底板采用DAMTEK的ZB253001实现。为降低成本，提高硬件的可扩展性和灵活性，5个ZigBee无线传感器节点选用相同的ZB253001底板，传感器选用插件式的硬件设计，通过ZB253001的I/O扩展口与ZB253001相连，5个感测节点只在传感器插件上不同[2]。ZB253001主电路原理图如图3所示。

图2 ZigBee无线传感器节点硬件组成

2.1.2 ZigBee协调器硬件设计

ZigBee协调器硬件上采用DAMTEK的ZB253003实现，ZB253003的硬件组成与ZigBee无线传感器节点的ZB253001完全一致，只在软件上不同，通过在软件上定义ZB253001为从模块（终端）、ZB253003为主模块（协调器），实现两者间通信。

图3 ZB253001主电路原理图

2.1.3 ZigBee继电器硬件设计

ZigBee继电器硬件上由ZB253001底板和通过ZB253001的I/O扩展口外接的继电器输出模块组成。

2.2 监控平板硬件设计

监控平板硬件上采用DMATEK的DMA210XP整合平台，该平台整合了ZigBee协调器模块，组成如图4所示。采用具有先进ARM Cortex A8核的Samsung S5PV210处理器，运算速度可达到 1 GHz，并且自带有32/32 KB资料/指令一级缓存，512 KB二级缓存，具备128 MB×8片共1 GB DDR2 SDRAM，512 MB SLC NAND Flash。

图4 监控平板硬件组成

3 系统软件设计

限于篇幅，本文省略对监控平板软件设计的介绍，只对各ZigBee节点的软件设计作出介绍。各ZigBee节点均采用嵌入CC2530的ZStack协议栈[3]实现IEEE802.15.4/ZigBee协议栈，采用IAR集成开发环境，具有在线下载、调试、仿真的功能。

3.1 ZigBee点对点通信参数设置

对ZigBee点对点通信参数的设置，有RF_CHANNEL、PAN_ID、SENSOR_ADDR、COORD_ADDR4项。ZigBee无线传感器节点模块、ZigBee继电器模块、ZigBee协调器模块的RF_CHANNEL、PAN_ID设置一致；无线传感器节点模块的SENSOR_ADDR为无线传感器节点地址，COORD_ADDR为发送地址，要与ZigBee协调器模块的COORD_ADDR设置一致；节点继电器模块的RELAY_ADDR为继电器地址，要与ZigBee协调器模块的RELAY_ADDR设置一致。本设计采用如下设置。

ZigBee无线传感器节点模块主程序设置如下：

#define RF_CHANNEL15// ZigBee频道 11~26

#define PAN_ID0x1234//ZigBee的网络ID

#define SENSOR_ADDR0x5522//传感器地址，本机地址

#define COORD_ADDR0x5566//主控器地址，为发送地址

ZigBee继电器模块主程序中设置如下：

#define RF_CHANNEL15// ZigBee频道 11~26

#define PAN_ID0x1234//ZigBee的网络ID

#define RELAY_ADDR0x7788//继电器地址，本机地址

ZigBee主控模块主程序中设置如下：

#define RF_CHANNEL15//频道 11~26

#define PAN_ID0x1234//网络ID

#define COORD_ADDR0x5566//主控器地址,本机地址

#define RELAY_ADDR0x7788//继电器地址，设为发送地址

3.2 ZigBee无线传感器节点软件设计

ZigBee无线传感器节点实现对环境信息的感知、处理，并通过ZigBee点对点无线通信协议将感知数据发送到ZigBee协调器。

ZigBee无线传感器节点程序流程如图5所示。

图5 ZigBee无线传感器节点程序流程图

3.3 ZigBee协调器软件设计

ZigBee协调器通过ZigBee点对点无线通信协议将接收到的感知数据通过RS232串口传输到监控平板；同时，负责从RS232串口接收从监控平板发来的控制命令，并通过ZigBee无线通信协议将控制命令发送到ZigBee继电器。

ZigBee协调器程序流程如图6所示。

图6 ZigBee协调器程序流程图

3.4 ZigBee继电器软件设计

ZigBee继电器通过ZigBee点对点无线通信协议接收ZigBee协调器发来的控制命令，实现对各继电器的打开及关闭控制。ZigBee继电器程序流程如图7所示。

图7 ZigBee继电器程序流程图

4 测试结果

依次对本系统中各ZigBee节点进行代码烧写、上电，加载监控平板软件，系统测试结果如图8所示。

图8 无线传感监控闭环控制系统监控平板软件显示

结语

本研究应用ZigBee点对点通信技术到无线传感闭环无线监控系统设计中，提出的无线监控系统闭环控制设计方案非常实用、安全，具有低成本、低功耗、高可靠性、网络易维护等优点。本设计方案可推广应用到其他不适合有线传输、移动性强的监控系统设计，具有较强的实用价值和很强的借鉴意义。