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基于Zig Bee协议的温度湿度无线传感器网络


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传感器与微系统 ( r sue a dM c ss m Tc nlg s Ta d cr n ir yt eho i ) n o e oe

20 06年 第 2 5卷 第 7期

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前 沿 技术
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基 于 ZgB e 议 的温 度 湿 度 无线 传 感器 网络 i e 协
辛 颖 , 光 忠 ,蒋 亚 东 谢
( 子 科 技 大 学 光 电信 息 学 院 . tI成 都 6 0 5 ) 电 IJ ~ I 10 4



要 :阐述了一种温度湿度智能数 据采集 的无线 传感器 网络 , 介绍 了传感 器节 点 的软件 与硬件设 计 .

该系统基于 ZgB e无线通信协议设 计 , i e 克服了有线传感器 网络 的局 限性 , 避免 了其 他无线通信技术 的高
功耗 的缺点 , 节点成本低 , 网络 容量 大 , 生存 周 期长 .实验结 果 表 明 : 度测 量精 度 为 1℃ , 温 湿度 精度 为 3 H, 以广泛用于环境检测 . %R 可 关键词 :温度 ; 湿度 ; 无线 ; 传感器 网络 ;紫蜂 中图分类 号 :T 2 2 P 1 文献标识码 :A 文章编号 :10 9 8 (0 6 O 0 8 0 00— 77 2 0 )7— 0 2— 3

W i e e s t m p r t r n u i iy s n o e wo k b s d r ls e e a u e a d h m dt e s rn t r a e o g Be r t c l n Zi e p o o o
XI n ,XI u n —h n ,JANG a d n N Yig E G agzo g I Y —o g
( c o l f t-l to i f r t n Unv ri f l t ncs i S h o o e cr n I o mai , ie s y o e r i c蚰∞ a d T c n lg , o Op e c n o t E co n e h o o y

C e g u60 5 C ia h n d 104, hn )
Ab t a t sr c :Th iee st mp rt r d h mii ma t aa c l ci g s n o ew r Sd s u s d T e h r w r e w r ls e e a u e a u dt s r d t. ol t e s rn t _ k i i s e . h ad a e n y e n 0 c n h ot r fs n o o e a n rd e d T e s y tm a e n Z g B e p o o o u mo n s e e f a d t e s f a e o e s rn d I ito u e . e s n rs se b s d o i e r tc ls r u t d f to w h o c w rd s n r n t o k a d a od t e h s — n r y c s f ol r w r ls e h o o y T e n d s lw- o t n h r ie e s ew r v i h ih e eg o t o t e ee s tc n l g . o n I i h o e i o c s . e k c p b l y i lr e as h i t i l s l n . x r n a s l i l s ta e a c r c ft i s se i a a ii s a g , lo t e l ei cr e i o g E p i t lr u t mpi h tt c u a y o s y tm s t f me c e me e e h h

1℃ i e e rtr d3% R i u dt.tcn b d l sd i n i n n ee t n ntmp aue a n H n h mii I a e w eyu e ne vr me t t i . y i o d c o
Ke r s tmp r t r ;h mi i ;w r ls ;s n o ew r Z g B e y wo d :e e au e u dt i e e s e s rn t o k; i e y

0 引 言

的双向 无 线 通 信 技 术 , 工 作 在 2 4G z 全 球 流 行 ) 可 . H ( , 88 6 ( MHz 欧洲流行) 95MH ( 国流行 ) 3个频段上 . 和 1 z 美 这

温度 和湿 度与工农业 生产及 人 民生活 密切相 关 .如 , 仓库 , 田, 农 生产过程 , 湿度过 大会 引起 粮食 霉变和变质 ; 温

它最显著的技术特性是它 的低功耗 和低成本 .由于采用较
低 的数据传输速率 , 较低 的工作频 段 和容量 更小 的 Sak tc ,

度变 化会 影响粮食 品质 ; 密仪器 , 精 半导 体器 件会 因过温 , 过湿 而性能 降低 ….另 外 , 随着 人们 的 生活 质量 的提高 ,
对室内环境的高要求也需要对温度 , 湿度的实时监控 , 可见 温度 , 湿度 传感 器的应用范围是很宽的 .

ZgB 模块的整体功耗非常低 .据称 , 据现有的 ZgB e i e 根 i e 技术规格制造 的产品 , 在绝大多数 目标应用场 合下 , 仅靠 2
节标准 5号 电池就可 以持续工作 6个月到两年 .ZgB e i e

以往的温度 , 湿度传感 器大多是有线方式传送数据 , 线 路冗 余复杂 , 不适合 大范 围多数量 放置 , 布线 成本 高 , 路 线 的老化问题也影响 了其可靠 性 .另一 方面 , 传感 器 网络所
要求 的无线技术不 同于现在 已有 的一些无 线 网络技术 , 这

与现有其他 无线 技术 相 比, 功耗非 常 低 , 比如 : 发射 电流 ,
Zg B e是 3 A, le o 和 Wii分 别 是 4 A 和 i e 0 m But t oh F om 4 Om 待机 电流 ,i B 是 3 , le o 和 Wii 别 O A; Zg e But t oh F分 是 20 0 和 2 A; 用 电 池 的 生 存 时 间 , i B 是 Om 使 Zg e 10~1 0 ,le o 和 wii 0 00d But t oh F 分别 是 1 d和 1 5d ~7 ~ .另 外 ,i B e 网络节点 数最 大 为 25个 , 考成 本为 5美 Zg e 的 5 参 元, 也远远 比 But t le oh和 Wii o F 更有优势 .

种网络并不需要太 高的传输 速率 , 而是 在成本 和功耗 方面 有 比较苛刻 的要求 .为了满 足类似 于温度 , 湿度 传感 器这
样小 型 , 成本设 备无线联 网的要求 , i B 技术 正是为 低 Zg e 适应这种需求 而产 生的. ZgB e i e 技术是 IE 0 .5 4基础 上发展 起来 的 , E E 82 1 . 是

所 以, 设计这种 基于 ZgB 协议 的温度 , i e 湿度无 线传
感 器网络 , 既可 以克 服有 线传感 器网络的局限性 , 又可 以做 到低成本 , 功耗 .在温 度为 一 0一+ 0 的测量范 围内, 低 3 7℃

最新 的一种 近距离 , 低复杂度 , 低功耗 , 低数 据速率 , 低成本
收稿 日期 :06— 2— l 20 0 2

基金项 目: 国家杰出青 年科学基金资助项 目(0 2 11 6450 )

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第 7期



颖等 : 于 ZgB e 议的温度湿度无线传感器 网络 基 i e 协 职守的恶劣环境 中工作 ; 供电 电压为 1 8— . V, . 3 6 满足电池
供 电的要求 . MC S8 T 0最显 著 的特点 是 它 的超低 功 耗.首 先 , 90G 6

误差不超 过 ±1C, 在环 境 的相对湿 度为 l o O% ~ 0%R 9 H 的测量范 围 内 , 差不 超过 ±3%R 可 主要 用于 温室 种 误 H,

植, 各种禽兽养 殖场及仓库厂房的温度湿度监控 .
1 系统结构

它工作 时的 功耗 就极 低 ; 另外 , 由于 MC S 8 T 0为 静态 90G 6
C S工艺 ,MO MO C S电路的特 点是在 静态 时功耗 极小 , 功耗 主要来 自电平 变化过 程 中 的瞬态 电 流, 因而 , 钟频 率越 时

温度 , 湿度无线传感器 网络系统结构如 图 1 所示 , 该系
统 由监控 主机 , 接入节 点和若 干个温 度湿度 一体化 的传感 器节 点组 成的分布式网络 , 中 , 其 传感器节点分布于需要 检 测的区域 , 负责对数据 的感知 和处 理 , 并通过无线射频信 号 发射 出去 ; 接入点接收各个 传感器 节点 发 出的无线射 频信
号 , 过 R 2 2的串 V线送 入监 控 主机 ; 通 S一 3 I 监控 主机放 在

高, 系统功 耗越大 .
2 2 射 频模 块 .

射频模块是 实现无线 通信 最重要的部分 .现在全球通
过 ZgB e 盟认 证的 ZgB e 片生 产厂家 只有 4家 , i e联 i e芯 经 过综 合 考虑 选 用 了 Fesa rec e公 司的 MC 3 9 l 112射 频芯 片 .

监控室 , 负责存储和对数 据 的进 一步 处理 .监控 中心 的软 件是采 用高级语 言开发环 境 Mir o i a C++ 6 0和 co f Vs l st u . Mi oo ces 据库开发的温度湿度无线传感 器数据采 c sf A cs 数 r t
集终端 , 以通 过 串 口接收 无线 网络 采集 的数 据 , 时 显 可 实

这是 业 内第 一 款 Zg B e芯 片 , 种 功 能 丰 富 的 双 向 i e 这 2 4G 收发器 完全符合 IE 0 . 5 4标 准 , 有一个 数 . Hz E E 82 1 . 带
据调制解调器 , 可在 ZgB 技术应 用 中使用.它还具有一 i e 个优化 的数 字核 心 , 助于 降低 MC 有 U处理 功率 , 缩短 执行

示, 并存储在数据 库里面 , 同时, 支持 对数据 库 的有条件 查 询, 增加或 删除记录等管理.
传感器 节点 1 传感 器节点 2 传感器节点 Ⅳ
图 1 无线传 感器网络系统 结构 图
F g Stuc u e d a i 1 r t r i| o r ls f wi ee s辩 n n t r y tm e wo k s se

周期 .4个 定 时 比较 器使 用 一 个 性 能 较 低 , 价格 低 廉 的
MC 从而能够 降低成 本 .广泛 的 中断 维修服 务使软 件开 U, 发 更具灵活性.R I FC和 MC U之间使 用 串行外 围接 口 S I P (ei e pea i e ae 连 接 , sr pr hr tr c ) l a i l n f 从而使用 户能够使 用飞 思 卡尔庞大产品 系列 中的任何 一种 MC U.连接 质量 和 电源 检测可为组 网和维护提供必要 的数据 .

印制电路板的设计直 接关 系到射频性能 .整个 射频部
分 电路以射频芯 片 MC 39 112为中心 , 各元器件 紧靠其周围 ,

2 无线传感器节 点单元硬 件设计

温度 , 湿度传感器节 点的硬件结构如 图 2所示 .

以尽可能减 少分布参数的影响; 印制 电路板上下两层板要大 面积覆铜接地 , 并用大量通孔将其连 接起 来 ; 用一个 印制 使 电路板天线 , 用射频信号开关元件控制接收和发送信息 .

2 3 传 感模 块 .
由于微处理器 内部 集成 有 8通 道 l O位 A D转 换器 , /
图 2 传感器节点结构 图
Fi S r c u e d a r m fS l o o l g2 t u t r i g a o e l r n l k q e

可以直接使用模拟输 出 的传 感器 .为了减少 外 围电路 , 增 加传感器节点 的可 靠性 , 选用 了本实验室 研制 的电压输 出 的温度 , 湿度传感器 , 这样 , 传感器的输 出可以直接和微处理
器的 A D输入 口相连 , / 除去了中间的一些处理电路 , 减少 了 节点上的元件数量 , 从而减小了节点体积 , 增大了可靠性 .

传 感器节点由传感器 , 处理器和无线收发模块组成 . 微 传感 器负责采集监控 区域 内的信息数 据 ; 处理 器负责 控 微 制整个传感器节点 的操 作 , 包括存 储和 处理本 身采集 的数 据; 无线通信模块 负责与其他节点进行无线通信 , 交换控制 信息和收发采集数 据.整个 节点 由电池组供 电 , 整个 生存
周期里面几乎没有 能源补给 .
2 1 微 处 理 器 .

温度 传感 器测 温范围为 一 0~+7 , 3 O℃ 精度为 ±1C. o

湿度传感 器测量范围为 l % ~ 0 H, 0 9 %R 精度为 ± % R , 3 H
工作 环境温度为 一 o~+ 5 , 4 8 ℃ 具有仪 表级 测量 性能.
2 4 串 口模 块 .

采用 F E S A E公 司的 MC 0 T 0单 片机作 为节点 R EC L 98 6

串 口电路只有接入点才有 .接入点是传感 器网络 中特 殊的节点 , 负责主机与传感器 网络 的通信 , 向下级节 点发送

的处 理器 .HC 0 S 8系列单片机是一种超低功耗 的混 合信号
控 制器 , 能够在低 电压下 以超低 功耗状态工作 ; 其控 制器 具

查询命令 , 接收下级节点 回传 的数据井 由串 口 发送给 主机.
这里 , 用 低 电 压 高 速 传 输 的 R 22收 发 器 MA 3 1 . 选 S3 X 3 8

有强大的处理能力 和丰 富的片内外设 ; F A H存储 器 的 带 LS 单片机 还 可 以 方 便 高 效 地 进 行 在 线 仿 真 和 编 程.
MC S8 T 0是 H S8家族 中性 能最强 的单 片机 , 丰 富 90 G 6 C0 有 的片内资源.它可以工作在 一 o~+ 5 ℃下 , 4 8 适合 在无 人

MA 3 1 X 3 8工作 电压为 2 5~ V, . 3 传输速率可达 4Ok p , 6 b s满 足接 收器 和监控 主机之 间的大量 数据传 输的需 要 ; 工作温
度为 一 o~+ 5 ℃ , 4 8 能适应恶劣 的天气环境 . 夕 围设 备少 ,

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传 感 器 与 微 系 统 2 S P的封装 , 合器件 的小 型化 设计 . 0S O 适
3 无 线 传 感 器 节 点 的 软 件 设 计

第2 5卷

1. 5 4标 准 和 国际 ZgB e联盟制 定 的 ZgB e协议 的规 i e i e 定 .I E 0 .5 4标准定 义 了网络 的物 理层 和 MA E E8 2 1. C层 , ZgB e i e 协议定 义了网络 的网络层 . 整个网络采用星型 的拓扑结 构 , 入节点 相 当于星 型 接 网络的网络协调器 , 它在系统 初始化 的时候 会扫描 它所在

系统 的功耗 主要有 两方面的原因 , 另一方 面是硬件 , 要

选择 功耗低 的器件 , 一方面是软件 , 包括节点上的工作模式 和通 信协议 的实现. 由器件 的物理 特性 决定 的 , 点在休 节 眠, 唤醒 , 工作等不同 的工 作模式 下 的功 耗差别 非常 大 , 怎 样 把这些 不同的工作模式 有机 的组 合起 来 , 使其 既能有效
地完成需 要实现 的功 能 , 又能最大 限度地 少消耗 本来就 不 多的能源 , 是软件设 计重点 要考虑 的 问题 .仔 细研 究节 点 上的每个 功能模块可 以发现 , 通信模 块是节 点 上功耗最 大

区域里 的所有 ZgB e信道 , i e 再选择一个 干净 的信 道建立 自 己的局域 网络 , 并为这个 网络设定 一个 唯一 的标 识符 .其 余的温度 , 湿度传感 器节点相当该星型网络 中的终端设备 , 可 以随意的加入或退 出一个确定 的网络 .如果一个节点 想
要加入 网络 , 只要将其上电复位即可 , 它在初 始化的时候 会

的部分 , 一个好 的通信 协议应 该简单有效 , 使得节点 的运 算 开销尽量的小 , 样 , 以大 大降 低 整个 节 点 的功耗 .温 这 可
度, 湿度传感 器节点的软件流程如图 3所示 .

自动寻找 网络 , 接着向接入节点发送一个入 网请求 , 入节 接 点 回应表示接收请求 并回复 自己的网络 标识 符给传感 器节 点, 以确定属从关系 ; 如果要 退 出该 网络 , 只需直 接关 闭节 点 的电源或 者让 它远 离接 入节 点至其覆盖范围以外 . 为了降低 功耗 , 网络采 用无信 标接 人模式 , A O 该 即 L. H S A C MA—C A的信道 接入 机制 , 感 器节 点只有 在需 要 传 数据传 输的时候 才和接 人接 点对 话 , 其余 时 间则处 于 " 断 开" 态, 状 节省维 持网络连 接所要 消耗 的能量 , 每个传 感器
节 点有一个独一无二 的 l 6位地址 , 接入节点通过接收到 的

数据包 中关 于节点地址的信息判断接收到 的是哪个节点发 送 过来 的信 息.如果节点准备发送数据 的时候发现网络繁

忙, 则等待一个随机 的时间后再 次尝试发送 , 直到数据发送
成功为止 .不过 , 由于每个 传感 器节 点所要传输 的信 息量

很少 , 处于休眠状态 的时 间远远 大于处 于工作状 态的时间 , 信 息碰撞的可能性很小 .一个接入节点确定 的星型 网络最
多可以容纳 25个传感 器节点. 5
图 3 传 藤 器 节 点 软 件 结 构 图
Fi S fwa e s r c ur l r m f¥ 1o o g3 o t r t u t e dt g a o ~1 r n de 1 5

4 实 验 结 果

实验的 网络 中, 1个接入 节点 通过 串 口与 电脑连 接 , 3

3 1 传 感 器 节 点 的数 据 处理 . 传感 器节点 的数据处理软件流程可 以描述如下 : 系统初始化后 自动进入休眠状态 , 微处理器先关闭传感 模块和射频模 块 的功 能 , 关 闭 自己的 内部 时钟 进 入" 再 沉 睡" 只保持微弱的电流监听外部 中断信号 , , 由微处理器外部 的实时时钟器件 R C ra t ec c ) T (eli l k 来控制节点上的时间 , -m o
R C功耗极低 , T 可以不计入节点上 的耗能元件 , 时 , 此 开始整

个无线 温度 , 湿度传感 器节点 先后放 在可变 温度 和可变湿
度环境 中, 实验结果如 表 1和表 2所示 .
衰 1 温 度 实测 结 果
Ta 1 Te p r t r b m e a u e ma嵋叫而嚷 r s l eut

环境温度 ( ℃)

监控软件显示的温度值 ( ) ℃ 节点 1 节点 2 节点 3

个传感器节点保持低功耗状 态, 当设定 的数据发送 周期 达到
后, T R C发送一个 中断信号 给微处理器 以唤醒节点 , 微处理

器脱离休 眠状 态, 恢复时钟并打开传感模块和射频模块 的功
能, 整个节点苏醒进入 工作状态 , 微处 理器接 收传 感模块 检
测到的数据进行 A D转换及 一些初步处 理 , 照设定 的数 / 按

据格式送入射频模块 调制成射频信号发 送出去.接入节 点 接收这个信号再调制成数字量输入监控中心.
3 2 通信 协 议 的 实现 .

本 文设 计的无线传感器 网络的设 计参考 了 I E 0 . E E 82

f 下转第 8 8页 J

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8 8
| .【 UI榭 - aI D g , 瑙

传 感 器 与 微 系 统

第2 5卷

时 间 / I l

时 间 / I l

() 向速 度 误 差 的滤 波 误 差 c东 ()h ftr r r f . t ~ et c te l er o F svl i ie o a o y
图 3 多模 型 卡 尔曼 滤 波结 果

() 向速 度 误 差 的 滤 波误 差 d北 () e l r 眦 o Not e ct d t ft e h ie f r hv l i o y

Fi Re u td l _ fmu t- o e K l a le g3 s l j 掣 a o lim d 1] a m n f t r 旧 m i

4 结



业 出版社 , 8 .7 —1 . 1 3 12 7 9 3

在多传感器的数据融 合处理 方法 中 , 文着 重论述 了 本 将 多模 自适应估计运用于组合导航 系统 中.与单 一的模型
算法相 比, 以看 到 : 纬度误 差有一 定程度 的改 善 , 度 可 经 速
【 .【 U, . QI D 榭 q g I 瑙

E ] 李艳华, 2 房建成, 贾志凯.N / N / P ISC C G S组合导航系统仿真 研究[] 中国惯性技术学报, 0 ,1) :—1. J. 2 2 (066 1 0
[ ] 周雪梅, 3 吴简彤. 多传感器多尺度融合估计在组合导航系统

误差有明显改善 .多模估 计具 有 以下 优点 : 以通过恰 当 可 的扩充模型来细化建模 , 在满足先验假设条件下 , 其估计是
均方误差意义下的最优估计 , 算法具有明显 的并行结构 , 有 利于并行实现 .
参考文献 :
[] < 1 惯性导航系统> 编著小组. 惯性导航 系统 [ . M] 北京 : 国防工

中的应用[] 中国惯性技术学报, 0 ,1) :1 4. J· 2 5 (3 24 — 4 0 [ ] 周 哲· 4 多传感器信息融合及其在组合导航系统中的应用研
究[ ] 哈尔滨: c· 哈尔滨工业大学, 0 ·0 4. 2 03 — 2 0 作者 简介 :
赵 汪洋 (98 男, 江津人 , 士研 究生 , 17 一) 重庆 博 从事惯 性技术
研究 .

( 接第8 上 4页 )
表 2 湿 度 实 测 结 果
Ta Hu i iy m自瞄 n r s l b2 m dt g e u t

技术构建的低成本 , 低功耗 的温度 , 度无线传 感器 网络 , 湿

克服了有线传感器 网络 的局 限性 , 避免 了其他无线 通信 技 术的高功耗的缺点 , 和现有 的无线 传感 器网络相 比, 它具 有 节点成本低 , 网络 容量大 , 生存 周期长 等优点 , 以广泛 应 可 用于粮食储备 仓库及 蔬 果 , 肉存储 仓库 的 温度 , 蛋 湿度 控 制; 中央空调 系统 的需求 ; 厂房环境 的温度 , 湿度控制 ; 验 实 室环境的温度 , 湿度控 制等方面 , 市场前景广 阔.
参考文献 :
[ ] 梁冠杰 , 1 陈 因. 仓库的温度湿度微机化监控 [ ] 电力学 报 , J.

环境湿度 监控软件显示的湿度值( H) %R ( H) %R 节点 l 节点 2 节点 3

19 , ( )4 9 4 1 9 :4—4 . 7

[] 原 2

羿, 苏鸿根. 基于 ZgB e技术的无线网络应用研究 [ ] i e J.

计算机应用与软件 ,0 4 ( )8 2 0 , 6 :9—9 . 1

[ ] 孙利 民, 3 李建 中, 陈

渝, . 等 无线传感 器网络 [ . M] 北京 : 清

实验结果 表明 : 温度湿 度无线传 感器 网络在 温度 为 该


华 大 学 出版 社 ,0 5 4—5 20 . .

3 + O 的测 量 范 围 , 差 不 超 过 ±1 , 环 境 的 相 O一 7 ℃ 误 ℃ 在

[ ] 刘慧银 , 4 龚光华 , 王云飞. o r a M t o 微控 制器 M 6 H 0 ol C 8 C 8原理
及嵌入式应用 [ . M] 北京 : 清华大学出版社 .0 5 12—13 20 .5 5.
[ ] IE t:0 . 5 4—2 0 Wi ls Meim cesC no 5 E E Sd 8 2 1 . 0 3, r es du Ac s ot l e r
( C)ad P yi lLyr( H MA n hs a ae P Y)S eictn o o — c pc ai sfrLw i f o

对湿 度 为 l O% ~9 o% R 的测 量 范 围 内, 差 不 超 过 H 误

±3 H, %R 采集到 的数据精 度主要 取决传 感模块 中温度 和 湿度传感器 自身的精度 .网络 中的无线数 据传输 稳 定 , 节 点之 间的无线信号 不会 相互干扰 .
5 结 论

R t Wi l sP r nl raN tok L ae r e es a e e rs( R—WP N ) S . es o A w A s [ ]

作者简介 :
辛 颖 (91 , , 18 一) 女 重庆人 , 硕士研究 生 , 研究方 向为无 线传
感器网络.

针对 ZgB e协议 的应用 性研 究 , 出了基 于 ZgB e i e 提 i e

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