基于ZigBee技术的环境监测系统的开发

　　无线传感器网络的节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。节点的硬件原理框图如图4。处理器模块和无线通信模块采用CC2430 芯片, CC2430是一个真正的系统芯片( SoC) , 它包括了一个高性能的2.4GHz DSSS( 直接序列扩频) 射频收发器和高性能、低功耗的8051微控制器核。CC2430芯片采用0.18 um CMOS工艺生产, 工作时的电流损耗为27 mA; 在接收和发射模式下, 电流损耗分别小于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性, 特别适合无线传感器网络的应用。大大简化了射频电路的设计。传感器模块采用集成温湿度传感器SHT10。电源模块采用3V 纽扣电池。

图4 节点硬件设计

　　SHT10 用于采集周围环境中的温度和湿度, 其工作电压为2.4～5.5V, 测湿精度为±4.5%RH, 25℃时测温精度为±0.5℃。采用SMD 贴片封装, 与处理器的通信电路I2C通信协议。

2.4 节点软件设计

　　节点软件设计采用了TinyOS操作系统，TinyOS 是美国的伯克利大学开发的,专为嵌入式无线传感器网络而设计，是一款自由和开放源码的操作系统和平台, 它采用面向元件结构,确保快速响应和执行,同时减小了代码量,以适应无线传感器网络严格的存储空间需要。它运行在每个网络节点上,是其他上层应用和协议运行的前提。其操作系统、库和程序服务程序是用nesC 写的。nesC 是一种开发组件式结构程序、具有C 语法风格的语言,其组件层次结构就如同一个网络协议栈,底层的组件负责接收和发送原始的数据位,而高层的组件对这些数据进行编码、解码,更高层的组件负责数据打包、路由和传输数据。组件用接口互相连接。TinyOS为普通的抽象描述提供了接口和组件，例如数据包通信，路由，感知，行为和储存。

　　无线传感器节点的应用程序采用nesC编写，分为数据采集、电池能量检测和无线通信这三个分别设计的模块。无线路由节点和无线终端节点比无线终端节点多一个数据汇集和上传的功能。

2.5ZigBee网关设计

　　在该系统中，需要实现ZigBee无线传感器网络与以太网的互联，把网络中监测的温湿度数据需要发送到监测中心主机进行分析和显示。ZigBee网关实现该功能, 担当ZigBee网络和以太网的协议转换。ZigBee网关由下列部分组成: 内部集成符合IEEE 802.15.4标准的2.4GHz的射频(RF) 收发器的CC2430无线单片机; 采用ARM核的SamsungS3C44BOX微控制器; AX88796以太网控制器芯片等。

2.6 监控终端软件设计

　　作为一个完整的药厂环境监控系统，除了无线传感器网络技术研究，运行在计算机服务器上的上层管理软件必不可少。本系统中，上层管理软件采用三层C/S 模式，实时对传感器网络送来的数据进行处理，形成用户最终关心的数据表现形式，局域网内的办公用户在经过授权后，可以读取监控主机上的实时数据，实现远程的监测。监控应用软件还对传感器网络中的每个节点进行跟踪管理。对于监控到异常情况，上层管理软件使用声光、短信、电话实时报警方式。可显示参数列表、实时曲线图（对应具体数值并任意调整坐标）、实时数据、折算数据、累计数据、历史、报警画面、报表等多种显示、统计功能更加贴近用户需求。

3、实验结果

　　为了检验该温湿度传感器的性能, 将3个温湿度传感器节点置于RZ-80-E型高精度的温湿度试验箱中, 试验箱的温度控制精 ±0.3℃，湿度控制精度 ± 2.5% R.H。将测量的标准值与控制主机采集的测量值相比较, 从测量数据可以看出, 测量误差较小, 满足使用要求。测量值与实际值之间的误差主要是传感器自身测量误差, 网络传输过程中几乎不会引人误差。