物联网终端技术研究：孵化室温度监控系统案例

1.项目需求

因孵化室对温湿度控制要求比较高，所以需要对室内温湿度进行实时监测，当温湿度过高或过低，调节空调进行自动控制。传统的孵化室内温湿度监控系统采用线缆方式布置传感节点，温湿度信息通过有线方式传送，布线不便，后期维护改造困难。采用基于ZigBee的无线传感器网络的监控系统，具有低功耗、低成本、可移动、高可靠的特点。

孵化室内温湿度监控系统的目的是通过无线传感器网络中的传感控制节点将环境中的温度和湿度信息进行采集后，经无线传输，把信息传送给协调器，最终送给PC机显示，实现人机交互，以达到对室内环境中温湿度变化监测和控制的要求。该系统采用星型网络，把传感控制节点合理地分布在室内环境中的几个角落，这里则采用五个传感控制节点。

2.硬件设计

硬件部分主要由协调器和传感控制节点两部分组成。

（1）协调器负责协调整个网络以及与终端控制PC的通信，在ZigBee网络中负责发起、组建网络，传输网络信标、管理节点及存储网络节点信息，提供关联节点之间的路由信息，同时将节点的信息通过串口或以太网口传给上位机PCO，协调器硬件主要包括射频顶板、串口转以太网模块NePort.串口模块MAX232或SP3232等。协调器芯片采用TI公司的片上系统CC2430。

（2）传感器控制节点分传感部分和控制部分，主要是将温湿信息收集并无线传给协调器，最后送到上位机显示；当需要做出动作控制时，再由协调器将控制命令传给节点。节点硬件包括驱动电路和信号放大调理电路。无线节点采用TI公司的片上系统CC2430。CC2430有21个可编程I/O引脚，实现输入量的收集和输出量的控制。传感控制节点采用ZigBee射频模块加传感或控制电路模块形式，其结构所示，该节点通过驱动电路控制外接的灯具、窗帘、空调或者排气扇等。节点也可以通过接口控制板或者外接传感器，如燃气传感器、烟雾传感器、光照传感器、红外感应传感器、温湿度传感器或者求助按钮等。

下面对这几部分硬件开发做介绍：

（1）ZigBee射频模块

无线射频芯片采用TI公司开发的IEEE802.15.4/ZigBee片上系统解决方案CC2430无线单片机。CC2430是一个真正的系统芯片（SOC）CMOS解决方案，它结合一个高性能2.4GHz直接序列扩频（DSSS）射频收发器核心和一个工业级小巧高效的8051控制器；8Kbyte的RAM及强大的外围模块；集成了14位模数转换的ADC；集成AES安全协处理器；带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC；具有电池监测和温度感测功能。这种解决方案能提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用，及对低成本、低功耗的要求。CC2430的射频电路。应该注意的是使用天线时，天线与CC2430的射频收发器必须相匹配，否则此无线传输系统的传输距离很近。

（2）协调器底板

协调器底板主要是给ZigBee射频顶板供电和提供协调器向上位机通信的串口或以太网口。这里采用SP3232E作为RS232收发器的解决方案，它的R1OUT管脚与CC2430的P0.2脚相接作为CC2430的串口接收通道，T1IN管脚与CC2430的P0.3相接作为CC2430的串口传输通道。

（3）传感控制节点

传感控制节点主要包括射频模块接口电路、燃气传感电路、温湿度传感电路、灯光和蜂鸣报警控制电路、电机控制电路等。为传感控制节点给射频模块、传感器的供电电路，其中T1起保护作用，避免电源正负极接反；1117-3.3将5V电压转换为3.3V输出。

CC2430的P0.4脚作为串行数据接口，P0.7作为串行时钟接口。CC2430的其他管脚的接口。

本系统的温湿度传感器采用SHT10，SHT10将传感元件和信号处理电路集成在一块微型的电路板上，具有很高的精确度、可靠性和长期稳定性。SHTlx系列温湿度传感器的外观和管脚定义。

SCK用于微处理器与SHT10之间的通信同步；DATD用于读取传感器数据；采用3.3V供电。SHT10与CC2430连接电路。

3.程序设计开发

程序开发部分主要包括下位机程序，即基于CC2430在ZigBee无线通信协议栈基础上开发应用程序；以及上位机程序，即感知信息收集与处理、用户界面开发等。通过ZigBee无线通信协议栈应用程序的开发使系统实现对环境温湿度的信息的采集和无线传输；上位机用户界面程序用于实现人与系统的交互，人对系统的监测和控制。

（1）协议栈应用程序开发

TI公司为用户提供了ZigBee联盟认证的全面兼容IEEE802.15.4协议规范和ZigBee 2006协议规范的协议栈源代码和开发档案。(www.xing528.com)

Z-Stack根据IEEE802.15.4和ZigBee标准分为以下几层：API（应用编程接口）、HAL（硬件抽象层）、MAC（介质访问控制）、NWK（ZigBee网络层）、SAL（操作系统抽象层）、安全服务和ZigBee设备。TI公司的ZigBee协议栈Z-Stack需要在IAR Embedded Workbench IDE上进行开发。这里采用Z-Stack的版本为stack-1.4.3-1.2.1，这个版本对应CC2430的ZigBee协议栈，在IAR EW8051 7.3B版本集成开发环境上开发。

系统的开发界面，显示了Z-Stack的IAR工程文件框架。主要采用C语言和汇编语言编写，以LIB（库）函数配合相应的用户接口实现。各层目录中主要是包含接口函数的头文件和源文件，其中包括：

App（应用层目录）：这是用户创建各种不同工程、应用的区域；

HAL（硬件抽象层目录）：主要包括与硬件相关的配置及操作函数；

MAC（媒介访问控制层目录）：包括MAC层配置参数文件及MAC LIB库的函数接口文件；

MT（monitor test目录）：包括基于应用架构（Application Framework，AF）层的调试函数文件，主要包括串口等通信函数；

NWK（网络层目录）：包括网络层配置参数文件及MAC LIB库的函数接口文件；

OSAL（操作系统抽象层目录）：包括协议栈系统文档；

Profile（属性目录）：主要是AF层目录，包括AF层处理函数文件、设备描述帮助函数；

Security（安全层目录）：安全层处理函数，包括加密、解密函数等；

Services（服务项目）：地址处理函数目录，包括地址模式的定义及地址处理函数文档等；

tooled程配置目录）：包括协议栈等配置文档，例如PANID.Channel ID的选择和设置（注：协调器跟传感控制节点的PANID.ChannellD必须相同，它们才能在同一个网络中并进行通信，PANIDXhannelID在f8config·cfy中选择设定和修改）；

ZDO（设备对象目录）：包括设备的应用、配置、属性设置、安全管理等处理函数文档；

ZMac（MAC层目录）：包括MAC层参数配置及MAC层LIB库函数回调处理函数；

amain（主函数目录）：包括入口函数及硬件配置文件；

Output（输出文件目录）：这是IAR EW8051IDE自动生成的。

Z-Stack采用操作系统思想构造，采用事件轮询机制。在各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，则判断优先级，逐次处理。当如温度采集、湿度采集等事件已经注册了任务ID后，当消息收集时，系统就按照以下过程进行处理。

综上所述，TI公司的Z-Stack将ZigBee无线网络的硬件抽象层、网络层、安全管理等都通过库函数、接口函数的形式进行提供，因此开发的重点在于用户应用程序的开发。

物联网应用系统的开发技术，主要结合简单的RFID和传感网项目案例，简要介绍了物联网应用系统开发的流程和方法。物联网应用系统的开发是物联网应用的具体实现，因物联网具有与行业结合的特点，在具体的应用开发中需要与行业、专业知识结合、软硬件结合的系统集成等。物联网应用系统的开发与集成涉及软硬件编程、通信、智能信息处理等，技术难度较大，学习者除了需要掌握一定的相关理论知识，更需要在项目实践中不断积累经验。