随着教育的发展， 学校对硬件投入加大， 校园照明系统不断扩大，在带来绚丽和方便的同时， 也带来了费用高、管理难、故障汇报慢等问题。一套高效的照明监控系统可以大大节省人力财力。当今无线通信技术、自动控制技术快速发展， 为集中控制每一盏灯、远程识别故障灯、测控各种电参数及选用多种控制策略为一体的教室智能照明控制系统提供了技术支撑。
1 ZigBee 简介
２００９ 年济南园博园已经实现了小范围内基于ＺｉｇＢｅｅ 的路灯和景观灯监控，基于ＺｉｇＢｅｅ数传技术的照明监控系统将是未来照明监控系统的一个主要发展方向。ＺｉｇＢｅｅ数传是一种新兴的短距离、低速率、低成本、低复杂度的无线通信技术， 目前在近距离无线网络领域得到了广泛应用。它是基于ＩＥＥＥ８０２.１５.４ 标准的低功耗无线个人局域网协议， 可工作在免费的２.４ ＧＨｚ 公共频段， 传输速率为１０ Ｋｂｐｓ～２５０ Ｋｂｐｓ， 单节点实际传输距离根据发送功率大小和应用模式而定，在无遮挡情况下能达到１００ ｍ以上。ＺｉｇＢｅｅ 可以组成高可靠性的Ｍｅｓｈ 网， 不仅能自组织， 而且能够自恢复， 保证了系统整体稳定性。ＺｉｇＢｅｅ模块实行严格的功率管理机制，主要通过降低收发信机的忙闲以及数据传输的频率来降低开销，例如关机及睡眠模式。以上特点， 正好符合对离散分布的照明灯具进行组网的需要。
ＺｉｇＢｅｅ 协议定义了３ 种设备 ， 即全功能设备（ＦＦＤ）、精简功能设备（ＲＦＤ）和网络协调器设备。具备控制器的功能ＲＦＤ 在网络中通常作为终端节点，相互之间不能直接通信， 只能与ＦＦＤ 或协调器通信。ＦＦＤ 除具有ＲＦＤ 功能外， 一般可用作网络路由节点。网络协调器实际上是ＦＦＤ的一种， 只是拥有更多的计算能力和系统资源， 它在网络组建中担任协调者，负责建立网络， 并与其它的ＦＦＤ 或ＲＦＤ 连接。
2 系统设计
2.1网络结构
Ｚｉｇｂｅｅ模块 网络支持三种拓扑结构： 星型、树状型、网状型。在星型结构中协调器在中心发挥协调作用，所有节点只与协调器通信， 其它节点可以是ＦＦＤ， 也可以是ＲＦＤ； 在树状型网络中有多个ＦＦＤ和ＲＦＤ， 远距离终端节点只能经过ＦＦＤ 路由才能与协调器通信；在网状结构中存在多个路由节点和终端节点， 任意两个路由节点可互相通信， 终端节点则只能经路由节点与协调器通信。
由于教学楼内环境相对复杂， 信号遮挡较多， 呈现出空间立体特点，故采用网状拓扑结构进行组网。为了能够保证Ｚｉｇｂｅｅ无线模块网络有效连通性， 在每层楼楼梯口等通信效果较好的地方要放置一个Ｚｉｇｂｅｅ模块路由节点， 以此来实现两层楼之间的路由。以每间教室为单元，设置一个路由节点， 这样避免一个教室出现故障而导致整个网络瘫痪的现象， 在距离协调器最近端和最远端的教室可以设置ＲＦＤ 节点。为避免信号因穿墙而减弱，可以将节点模块安装在教室外墙，该节点通过扩展与各个灯组的传感器和继电器进行连接。
监控中心由计算机和协调器组成， 具有遥测、遥控、存储和管理数据功能，可以对整个教学楼照明系统进行实时监控。协调器主要负责建立、管理和维护网络， 同时接收各个路由节点的信息， 然后通过串口将数据发给计算机， 在计算机终端显示实时状况并发送控制命令。路由节点具有终端控制、信息采集、自动报警的功能。
2.2硬件设计
教室节点主要由ＺｉｇＢｅｅ无线模块、传感器、继电器及扩展／选择电路组成，硬件结构如图１ 所示。
图１ 教室节点硬件结构图
ＺｉｇＢｅｅ无线模块采用ＣＣ２５３０ 作为控制电路核心，该芯片是专门针对２.４Ｇ ＩＥＥＥ ８０２.１５.４、ＺｉｇＢｅｅ和ＲＦ４ＣＥ 应用的片上系统解决方案， 其特点是以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点 。芯片内部已经集成了一个８０５１ 微处理器与高性能ＲＦ 收发器， 并集成了模数转换、ＺｉｇＢｅｅ射频前端、定时器等模块。系统内可编程闪存最高可达１２８ＫＢ， 同时具有多种运行模式， 且运行模式之间的转换时间很短， 进一步降低能源消耗。而一个ＣＣ２５３０ 只有２１个Ｉ／Ｏ引脚， 无法达到分别控制并采集信号的要求，在此可以通过扩展／选择电路来实现对多个灯的控制或信号采集。对于灯较多的教室， 可以分配两个或三个节点。
大学教室在上课或自习时人员分布不一， 且面积较大， 灯下各处的光照度也不一样，所以每个灯都安装人体探测器和光照度传感器进行ＺｉｇＢｅｅ数据采集， 微处理器根据检测到的是否有人和自然光光照度来进行开关灯操作。人体探测器和光照度传感器的设计在此不作为设计重点。
无线信号在教学楼内传输时对发射功率和接收信号的灵敏度要求较高，虽然相邻两个教室节点距离很近， 但是在转角或者上下楼层的地方ＣＣ２５３０不一定能够满足通信要求， 要解决这一问题， 可以在ＣＣ２５３０ 工作电路中加入ＣＣ２５９１射频前端来提高输出功率和接收灵敏度， 从而达到增加传输距离的目的。ＣＣ２５９１ 通过一个功率放大器以增加输出功率， 并通过一个低噪声放大器改进接收灵敏度。它采用４ｍｍ ×４ｍｍ ＱＦＮ１６ 小尺寸封装， 模块集成了功率放大器、低噪声放大器、收发切换开关、非平衡变压器和逻辑电路等高性能模块。ＣＣ２５３０ 射频输入／输出端具有高阻抗、差分的特性， 在设计终端节点时， 使用巴伦天线的布线方式来作为非平衡变压器， 而ＣＣ２５９１ 内部本身就存在一个巴伦结构的非平衡变压器和一个匹配网络，由此可以实现ＣＣ２５９１ 到ＣＣ２５３０ 的无缝接口。
2.3软件设计
系统启动后， 首先进行初始化并由协调器组建ＺｉｇＢｅｅ 网络，组建成功后， 各节点将ＺｉｇＢｅｅ数据采集到的数据经过路由节点发送至协调器， 然后传至计算机， 再保存在数据库中， 管理员可根据实际情况进行开关灯操作， 由于使用了扩展／选择电路，可以具体到每一盏灯。一般情况下系统处于自动控制状态。教室节点在每天教室关闭后进入休眠状态以降低功耗，在教室打开后进入工作状态， 微处理器轮询各个灯的传感器输出端，根据各个灯的光照度和人员情况进行开关灯控制。如发生报警， 如教室电流过高，则向监控中心发送报警信息以待确认和检修。节点自动控制流程图如图２ 所示。
图２ 教室节点自动控制流程图
本系统采用Ｃ／Ｓ 模式， 以Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ２０１０ 为监控软件开发平台， Ｃ＃语言编制， 数据库使用ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ ２００８， 上位机软件主要功能是实时接收由串口传递的数据并加以分包、计算、处理、显示以及保存，通过响应管理员指令， 可对终端灯节点进行控制、配置、查询。上位机主界面如图３ 所示，
图３ 教室监控界面
主要功能包括：显示与监控： 实现对每个教室电压、电流、功率等数据采集； 可以按楼层选择， 查看当前功率、用电量、报警或故障； 实现分区域开关及单灯开关的控制；
数据查询： 节点配置信息与各教室状态信息均保存在数据库中，方便管理员查询历史数据； 并能形成电流、电压等电量报表和运行日志报表；
参数配置： 包括校正系统时间、设置ｚｉｇｂｅｅ 节点短地址和各项报警参数，管理员设置好参数后，系统后台将通过协调器发送到各个节点。教室监控界面如图３ 所示。
3 结论
此系统具有两个显著优势： 一是控制方便， 监控中心能控制到具体的每一盏灯，每一盏灯的状态也能在控制中心得到显示， 还可以根据实际需要提花灵活多样的控制方案， 以满足不同的场景照明需要。当通信网络某一节点故障时， 其他ＺｉｇＢｅｅ数传模块节点不会受到影响，而故障节点还可以手动进行开关操作； 二是成本低， 只安装两个光感传感器， 用于ＺｉｇＢｅｅ数据采集实时外界光照度， 全程采用ＺｉｇＢｅｅ无线模块通信， 无需布线、易安装且运行后无通信费用。本系统可以有效地实现教室照明系统科学高效的控制和资源整合，最终实现节能的目的， 有着广阔的应用前景。
随着物联网技术的不断深入和普及，智能家居的需求以愈来愈强烈，最为广泛使用的就是智能照明系统。基于Zigbee模块的照明系统主要实现对居住环境内外的灯光的智能控制和管理，具体的说主要实现对灯的单控、组控、全控以及无线遥控控制和多时段定时控制。ZigBe数传技术作为新兴的近距离无线通信技术之一，具有近距离、低功耗、低速率和稳定性高等优点，非常适合在智能照明系统中运用。
1 室内照明系统的总体方案
1.1 室内照明系统的总体设计方案
Zigbee模块灯控系统由Zigbee模块终端灯节点和无线路由器节点组成。终端节点点由CC2530 Zigbee 数传模块，220V驱动电路及继电器节点，及传感器模块组成。CC2530 内部的RF 电路负责与其他的节点进行无线通信。协调器/ 路由器节点负责无线通信及组网，灯控终端节点负责接收无线数据并控制220V灯的亮灭。
1.2 照明系统的硬件设计与实现
CC2530 芯片具备布局构造简单、低功耗，以及能够实现系统可在线编程Flash 储存器等特点，它最显著的优势就是能够以非常低成本的总材料来建立强大的网络节点，因此传感器节点选择CC2530 作为Zigbee无线模块主控芯。根据CC2530 的电路图的整体设计中，可以看出，它主要包含了:传感器电路接口、RF 身寸频电路、滤波去躁电路、电源去耦电路、频率晶体振荡电路以及PL2303 通信电路等其他的一系列辅助电路。其中，RF 无线射频主要是实现Zigbee数传模块无线数据的接收和发送，芯片自带RC 晶振。
在本次设计中还用到了zigbee 的评估板，在这次设计中把评估板设计成一个遥控按键，控制整个硬件实现的过程，它首先和安在继电器上的zigbee 终端模块组网，实现无线控制灯泡，下图是评估板的实物图。在本次设计中还要用到继电器，因为设计需要无线控制灯泡，所以需要继电器来控制。
图1 评估板
2 无线照明系统的软件设计
2.1 协调器节点设计
协调器除了负责无线网络的组网及配置，同时还接收各终端节点所发送的数据，最终通过串口线将数据传给上位机键控软件。该程序设计主要包括zigbee 终端节点、协调器节点的设备初始化、负责终端节点的组网、无线数据收发处理等。终端节点负责对光强进行zigbee数据采集，接收信号，对接收到的进行数据反馈。其程序部分主要包括组网程序和zigbee数据采集程序，终端节点只负责通信因此数据处理能力较低。程序的主流程图如图2 所示。
图2 协调器流程图
将程序编译烧写到模块里，然后连接实物图，最后显示本次设计的最终的实物效果图，如图3 所示：
图3 实物效果图
3 总结
本文针对目前大部分家庭采用的布线照明系统中存在的问题，本文提出了一种基于ZigBee数传模块的智能家居照明系统方案，以CC2530 zigbee模块为基础设计了片上控制应用程序，进行了光照的zigbee数传采集，实现了协调器与上位机的通信，协调器与终端节点通信，完成了智能家居照明控制系统的设计。
摘要: 0 引言 SF6气体以其优良的绝缘和灭弧性能，被广泛应用于电力高压开关设备中，随着使用年限的增加，因设备制造、安装不良或密封材料老化等问题可导致SF6气体泄漏，如不能及时发现和处理，将给设备的安全运行和操作人员的人身安全带来严重威胁。因此，对SF6气体泄漏进行实时监测，可以提前发现安全隐患，及时采取处理措施，提高系统可靠性。 现有的SF6气体泄漏监测主要有负电...
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1 系统网络架构设计
无线ZigBee网络实现的数据采集系统由多采集节点组成，采用SNAP对等网络协议实现ZigBee组网方案。节点功能包括温度采集、压力采集。在一个ZigBee数传网络中的采集节点，通过程序设置，节点与节点之间、节点与计算机之间可交互通信，设置带数据包转发功能或者不带数据包转发功能。主节点通过ZigBee数传网络对其余各节采用一种远程函数调用手段实现数据采集，采集数据通过串口上传到计算机。通过ZigBee OPC服务软件，为力控组态软件提供OPC服务，实现数据保存、备份、查询等功能。ZigBee网络由协调器、路由器和采集终端组成，如图1所示。
图1 ZigBee系统网络柘朴图
2 硬件设计
系统硬件设计主要包括三大部分，中央控制单元、温度传感器电路、压力传感器电路。控制单元核心采用具有射频功能的ZIC2410单片机进行ZigBee数据采集处理与组建ZigBee数传模块网络，传感器处理电路采用仪表放大芯片OP07。温度测量电路采用PTl00与20K电阻搭电桥组成。压力测量采用电阻式压力传感器组成。
2．1中央控制单元设计
控制核心采用CEL公司生产的ZICM2410 ZigBee无线模块，该模块采用ZIC2410单片机，ZIC2410单片机是一个真正的单芯片解决方案，是一款真正意义上的ZigBee片上系统：集成了ZigBee无线收发器和一个单指令内嵌Flash空间的51CPU内核。它由一个含有基带Modem的射频收发器、硬连线的MAC和内嵌8051内核的微控制器(带有内部Flash存储器)组成。包括多个通用I／O引脚、定时器、UART、SPI等，以及硬件语音编解码器，独有的IIS/SPI/UART音频输入输出接口，结合其扩展的500kbps或1Mbps的无线传输数率，可以满足各测控领域的应用。其内部功能模块如图2所示。
图2 ZIC2410内部功能模块方框图
2．2传感放大电路设计
温度、压力采集采用三个OP07运算放大芯片，电路前级放大采用差分方式输入，引入共模抑制电路，采用同相并联差值比例输入级和差分放大输出级，其中U6和U8为两个性能一致的的仪表放大芯片，U7工作于差动放大方式，用来抑制U6和U8的共模信号。R4与R11、R8组成负反馈网络，使得整个电路增益稳定，降低噪声、输出阻抗，同时也使输入阻抗增大。能有效提高共模抑制比。在放大电路前端采用差分输入方式，能有效提高整个电路的共模抑制效果。设计中为提高其共模抑制能力，还增加了R18、R4的调零电路。
图3 OP07设计的传感器放大电路图
2．3负电压产生电路
由于现场无法安装交流供电，数据采集模块采用了蓄电池6V供电，但OP07需要负电压供电，使其正常工作。负压产生的方法比较多，本装置采取了ICL7660变极性芯片。ICL7660是美国哈里斯公司生产的变极性DC—DC变换器，该芯片可以将正电压输入变为负电压输出，该芯片电压范围为1．5—10．5V，具有静态电流小、转换效率高、外围电路简单等优点。ICL 7660负电压产生电路如图4所示：
图4 ICL7660负电压产生电路
3 软件设计
无线ZigBee数据采集系统由ZigBee数据采集节点以及负责和计算机进行通信的主节点(协调器)，OPC服务器、力控组态软件组成。为了缩短开发周期，降低开发风险，ZigBee数据采集节点采用了SNAP网络协议栈开发，SNAP为内嵌Python虚拟机的ZigBee协议栈，可以编写应用层脚本，编译并空中下载脚本文件。为复杂的ZigBee数传模块网络提供一个简单、可靠、智能的完整组网方案，同时，因为使用“对等网络”概念，功耗优化明显，冗余性能优异。开发平台采用Synapse公司的Porlal，该软件集SNAP代码编译、SNAP节点管理等多种功能的综合集成开发环境。
3．1主节点软件设计
开发语言采用类似VB事件驱动的SNAP脚本，所有程序都由事件驱动。包括的事件有：启动事件、GPIO电平变化事件、定时器事件、输入输出事件、远程调用事件。SNAP协议栈底层封装有大量库函数以及SNAPpy虚拟机，脚本运行于SNAPpy虚拟机上，执行相应的硬件操作，或者调用网络层发送数据包。
在SNAP协议栈里边，节点之间通信采用远程函数调用机调实现。主节点采用RPC远程调用函数实现数据采集。
远程过程调函数RPC(Remote Procedure Call)，RPC函数基本格式如下：rpc(address，function，args)，其中address表示单点传输地址，function表示远程所要调用函数名称，args表示传递参数。在终端节点数据采集函数名称为Adresult()，所以在主节点中编写的远程调用语句为：rpc(” \xce\x00\x02",'ADresult，)'表示从IP地址为'％\ce\x00\x02"的终端节读取温度压力数据。
3．2终端节点程序设计
终端节点的功能是ZigBee数据采集以及数据发送。在SNAP网络协议栈中，数据传送是通过远程函数调用来实现。在终端节点，设计一个Adresult()的函数，实现数据采集，采集到的数据要传递回主节点，是采用远程函数调用机调实现。在主节点编写showresult()函数，这个函数用于被远程终端节点调用，并且把远程传输函数参数通过串口送往计算机。Adresult()函数被调用以后，开始进行温度、压力采集，调用showresult()函数，然后把自身的lP地址、温度、压力数据作为showresult()函数参数传输到主节点，完成一次节点数据采集。SNAP支持函数嵌套调用，Adresult()的代码如下：rpc('，＼xce\x00\x01",'showresult 7，myself，readadc(0)，readadc(1)，readadc(7))，这是RPC远程调用函数，第一个参数是主节点，说明被调用的是主节点函数，第二个参数是被调用函数名称showresult()，第三个参数是调用节点自身IP地址，第四个参数是温度数据，第五个是压力数据，第六个是电量。
图5 主节点读远程节点过程
3．3上位机监测与报警系统软件设计
上位机监测与报警系统采用力控组态软件作为开发平台，力控组态软件是面向对象的设计思路，具有友好的开发环境、高效的数据处理能力、完善的用户安全管理、良好的开放性等特点。可利用其灵活多样的组态方式，进行系统硬件、软件、网络的组态集成，实现界面显示，报警与事件，管理报表，信号处理，打印系统，设备管理。下面两种是基于力控软件与终端节点数据的交互采集方案。
3．3．1基于VB的DDE服务机制
利用VB开发和通过其串行通信控件进行数据采集，然后，根据力控支持Windows平台下软件之间的的数据通信、数据交换，组建DDE异构环境下不同系统之间的通信。DDE(DynamicData Exchange)技术是实现Windows下的应用程序之
间的数据交换，通讯时一应用程序作为客户端(Client)，另一应用程序作为服务端(Server)。在工程对时效要求较低时，此方案非常方便。
3．3．2 OPC
OPC是一套在基于Windows操作平台的工业应用程序之间提供高效的信息集成和多功能的组件对象模型接I=I标准，它以微软的组件对象模型COM／DCOM／COM+技术为技术基础采用客户／服务器模式。OPC标准优点是：①高速的数据传输性能；②节省多种采用服务器、硬件驱动的昂贵开销，降低了开发成本；③具有开放性，互联性。总之，OPC最主要的目标就是实现灵活、高效、方便地获取数据，易于掌握和实施即插即用。ZigBee无线模块网络OPC技术测控系统的基本结构如图6所示。
图6 0PC客户／服务器关系图
4 结束语
本文ZigBee数据采集系统应用ZigBee无线模块实现了温度、压力的ZigBee数据采集，已成功应用于湖南、海南省等某槟榔食品生产企业的发酵罐温度、压力的测控系统的终端。由于现场没法使用交流供电，而且发酵罐是低速旋转的，采用本系统方案进行现场数据的测量，很好地解决了实际现场中综合布线不方便和旋转对象测控等实际问题。
0 引言
污水是造成环境污染的原因之一。在人类生存环境日益恶化的今天．建立完整的污水监测系统是非常必要的．而处理分布在各处的污水检测点的数据传输问题一直是建立污水监测系统的难点。
1 污水监测的无线传感器网络架构
污水监测系统分为污水参数监测系统和污水处理过程监测系统。前者实现对水温、pH值、浊度、电导率、溶解氧含量等污水参数的测量．并对污水关键进水口和排水口重点区域的流量和水位检测等进行实时视频监测：后者完成各个污水处理池污水处理过程的参数与控制指令传输。由于污水进水口和排水口广泛分布．每个污水进水口和排水口均可设为一个独立子区域．因此可能分布多个传感器网络节点。在每个子区域中构建基于无线技术的传感器网络．通过一个网关或者汇聚点进行数据传输。在污水处理过程监测系统中．每个污水处理池均存在多个传感器和执行器．它们与现场服务器或者远程监控服务器交互信息。基于簇(C1uster)的分层结构具有天然的分布式处理能力．簇头是分布式处理中心．即无线传感器网络的一个汇聚点或者基站，每个簇成员(传感器节点)都把监测的原始数据(或者简单处理)传给簇头．数据经簇头融合后由更强通信模块传输至监测中心。污水监测系统的通信系统构架如图1所示。
图l 污水监控系统的通信体系
分为3层：现场参数监测层、现场控制服务器与汇聚节点层和远程监控服务器层。由于ZigBee无线模块是最新推出的低速率、低功耗无线通信技术．特别适合长期无人值守场合．因此该系统建立以ZigBee无线模块为核心的分层通信系统架构。由于需要长期无人值守工作，污水参数的ZigBee数据采集采用低功耗的ZigBee数传模块技术；视处理厂的规模，污水处理过程可以采用ZigBee无线模块技术或者WLAN技术。每个进出水的监测污水参数通过ZigBee无线模块直接传送到汇聚点．汇聚点具有强大数据处理功能，处理后的数据通过WLAN或CDMA模块传送到现场控制服务器或者远程监控服务器。同样，污水处理厂的污水处理过程数据通过ZigBee数传模块的传送到具有WLAN功能的汇聚节点．后者把数据传送到现场控制服务器：现场控制服务器产生控制指令后，通过汇聚节点的中转传递给具有ZigBee无线模块的执行节点。远程监控服务器通过CDMA和Internet网络与多个现场控制服务器层或者汇聚节点连接．获取相关子区域节点ZigBee数据采集的污水参数和现场控制过程数据．对污水参数和处理过程数据进行处理和分析．监测水质状况的变化．实现对现场的有效控制和管理．并对污染等突发事件和环境急剧变化进行实时报警。远程终端用户通过Internet实现对污水的全天候实时监测。
2 无线传感节点
基于ZigBee无线技术的污水参数监测节点．即无线传感节点，由低功耗MCU、数据采集通道、电池和ZigBee物理层芯片等部分组成．并挂接多个传感器检测水温、pH值、浊度、电导率、溶解氧含量等参数。节点具有尺寸小、功耗低、适应性强等特点。节点发射功率为O～3．6dbm．通信距离为30～70m．经过功率放大可达1000m左右．节点具有能量检测和链路质量指示功能．可根据检测结果自动调整发射功率．在保证通信链路质量的条件下．最大限度地减少能耗。设计的无线传感器网络节点处于睡眠状态时，电流约为30uA。
数据通信时．ZigBee无线模块建立一次连接的时间约为20ms．较短的连接时间可大大减少传感器节点向数据视频基站上报数据时发生碰撞的概率。网络安全方面，基于ZigBee数传技术的无线传感器网络．采用密钥长度为128位的加密算法．对所传输的数据信息进行加密处理。无线传感节点的硬件结构如图2所示。软件主要包括ZigBee协议栈的实现、测量应用程序的实现．以及低功耗处理子程序等模块。无线传感器执行器节点和汇聚节点具有类似结构。
图2 传感器网络节点硬件结构
3 污水监测与处理的一体化优化控制技术
现场工业控制服务器的主要作用：对无线传感器网络的数据进行综合处理，实时监测污水处理过程；依据污水处理工艺过程．自动利用知识与推理系统进行决策分析．对执行设备进行自动控制。污水处理厂的空间很大．不同传感器测量点的信息是不同的．甚至相差较大，存在如何采集不同传感器测量点的信息、采集何种信息(数据、图像信息等)、不同信息怎样融合应用等问题．需要对无线传感器网络的数据进行综合处理和集中控制优化．
3．1粗格栅及提升泵站
(1)粗格栅运行的控制。用超声波液位差计来测量粗格栅前后的液位差．当液位差值达到设定值．在规定的时间内未达到设定值时．均用电动阀门自动开启粗格栅除污机．完成一个运行周期后停止运行。
栅渣通过皮带输送机输送到螺旋压榨机，最后外运。
皮带输送机与粗格栅机联动控制．任意回转式格栅除污机启动后应启动皮带输送机联动运行。
(2)潜污泵的控制。在潜污泵有压力指示，开泵时应先开水泵．当达到一定压力时用电动阀f-1自动打开。进水泵房有潜污泵5台．2台备用。设置成轮流启动方式。
3．2细格栅及沉砂池
(1)细格栅运行的控制。用超声波液位差计测量细格栅前后的液位差．当液位差值达到设定值．或者在规定的时间内未达到设定值时．均用电动阀门自动开启细格栅除污机．完成一个运行周期后停止运行。
(2)沉砂池控制。沉砂机的自动控制由设备配套提供的就地控制柜内PLC完成。
3．3氧化沟
(1)对表曝机转速的控制：通过连续测量氧化沟的溶解氧含量来控制表曝机转速．当溶解氧值达到下限时，表曝机由低速运行转入高速运行：当溶解氧值达到上限时，表曝机由高速运行转入低速运行：当溶解氧值达到上上限时．表曝机则停止运行。
(2)对堰板高度的控制：通过连续测量氧化沟好氧段的溶解氧含量控制可调节堰板的高度．当溶解氧值达到下限时，启动可调节堰板使沟中水位提高：当溶解氧值达到上限时．启动可调节堰板使沟中水位降低。
(3)二沉池的控制：在双周边驱动刮泥机上接手动阀门．可手动调节运行周期和运行时间：也可自动调节．即根据二沉池污泥界面和污泥泵房MIJSS测量值自动调整。
(4)回流污泥量控制。回流污泥量调节的任务是为了保证生化处理系统混合液的浓度维持在一定范围内．回流污泥量的调节采用比例控制方式。
4 结语
针对污水处理过程的工艺要求．现场工业控制服务器采用多传感器数据融合技术．通过ZigBee无线模块的无线数据传输，最大限度地获取被测目标或环境的ZigBee数据采集的信息量。并获得最优的解释或判断：利用多个传感器资源．通过对多传感器及其观测信息的合理支配和使用．把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息依据某种准则进行组合．以获得被测对象的一致性解释或描述：在收到大量ZigBee数据采集的数据以后．通过高效的数据融合算法对数据进行处理．然后经过控制模型或者专家系统得到反馈控制结果．控制执行节点的行为。
智能家居是利用先进的计算机技术，嵌入式系统和网络通信技术，将家庭中的各种设备(如照明系统、环境监控、安防系统、网络家电)通过家庭网络连接到一起的，自从美国在1984年真正的智能建筑出现以后，国外已经有将近30年的研究历史，而国内在这方面的研究就相对较晚，从2003年才逐步的应用于高端市场，而且标准不一。由于智能家居的系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化等诸多的优点，从而使智能家居的开发建设成为21世界科技发展的必然趋势。
目前市场上使用的无线技术有很多，有蓝牙，WLAN技术等，由于协议复杂，成本高，耗电等，所以在家用系统控制方面推广是有很大困难的，所以本文提出的无线智能家居的设计是基于ZigBee无线模块技术的，因为ZigBee数传模块低功耗，低成本，易于组网和维护，采用簇状网络的同时会具有自愈性的独特优点，可以克服意外导致的网络瘫痪的弊端。
1 系统的结构
本文设计的智能家居系统主要把智能家居分成三个大的部分，以具有Android系统的电视机作为上位机部分，以具有USB功能的CC2531芯片作为中枢传输部分(即USB-DONGLE)，以CC2530芯片作为终端控制模块，终端控制模块同时分成三个部分，即安防控制模块、智能控制模块和电能计量统计模块如图1所示。
图1 整个系统设计的效果图
2 系统的工作原理
2．1 通用的ZigBee无线模块的初始化
启动硬件，进入初始化流程，首先是关闭所有的中断，然后是硬件电路板相关的硬件设备的检验并且配置系统时钟，然后进行电压稳定的检测，设置ADC3为一个标准的工作电压的值，通过电路板的ADCl读取外部提供的电路板的工作电压和ADC3比较看是否达到稳定工作的电压，然后进行电路板IO口的初始化，堆栈归零。如果电压不稳定或者电池电量不足或者其他原冈导致的硬件电路无法工作，这里就要进行不同方式的保护电路的复位，如果可以正常工作，那就开始配置IO口的基本工作状态，接着进行硬件驱动层的初始化，里面包括：定时器的初始化、ADC初始化、DMA的初始化、LED的初始化等等。接着是非易失性闪存的初始化流程，擦除所有的NV区域，然后是MAC初始化，扩展地址的初始化，Z-STACK的全面检查，如果某项存在或者不存在，则写入NV里面，然后是操作系统的启动初始化，开启中断，电路板的最终使用值的配置，(把启动的结果在液晶屏上显示出来)，电能计量模块的初始化，红外控制模块的初始化，定时模块的初始化，进入操作系统开始工作。
2．2整个网络的建立
首先是启动电视机，打开电视机上面智能家居的控制界面，发送加入网络的命令，开始创建整个智能家居的网络。ZigBee数传模块协调器接收到命令以后，开始建立网络，当网络建立起来以后，在协调器允许加入的有效时间内，开始启动ZigBee无线模块终端设备，终端设备发现网络，并发送加入网络的请求，协调器接收到加入网络的请求以后，开始确认信息，发送确认加入网络，终端设备接收到加入网络的确认请求以后，然后按照ZigBee协议，发送自己的长地址，短地址的信息给协调器，协调器收到信息以后通过USB接口传给电视机。整个系统开始进入正常的工作状态。
3 协凋器的作用
协凋器在整个网络中起到一个中枢作用，连接作为上位机的电视机，通过USB接口通信接收电视机的命令并把接收到的命令进行分析，根据解析来的命令，按照本系统设计的智能家居的协议发送给相应的节点，并接收儿几个终端节点上传的数据，然后发给电视机。具体流程请看流程图：
图2 电视机发送命令让协调器建立网络
4 电能计量统计模块的工作流程
电能计量模块是基于CSE7780芯片、RX8025、BL8023和CC2530芯片构成的一个具有电量计量、RTC时钟和ZigBee通信的模块，这个模块具有一个主要的功能：l把测量的电量实时的测量出来并上传给协调器。2 把测量的数据保存在EEPROM里面，根据电视机的要求，查看一个月每天电量的信息或查看一年电量的信息读取出来上传给电视。3 进行RTC计时，给整个模块提供一个时间信息。从协调器接收到定时的时问信息，按照解析的时间驱动BL8023继电器的芯片,控制继电器的开或者关，以此来达到定时的目的。
图3 电视机上电能计量的UI界面
5 红外控制模块的工作流程
在电视机上点击按键发送控制遥控器的指令到协调器，协调器收到指令以后发送给终端，终端接收到指令以后按照物联网电视的通信协议开始解析数据，把解析出来的指令重新按照机器的控制指令重新进行数据组合，然后利用红外发射的功能把数据发送给空调的遥控器来控制空调工作。如果空凋没有动作，就重新发送一次控制空调的指令，红外发射的载波是38K的载波，本模块使用的是32M的晶振，占空比是1／3，主体的工作细节见见图3。
图4 智能控制流程图
6 安防监控模块的工作流程
首先使人体检测模块上电，经过45秒钟的电压稳定时间，使这个模块加入到ZigBee数传网络内，然后在电视机上启动安防监控开始命令，摄像头就会打开，同时发送进入安防模式给协调器，协调器接收到命令以后，把命令发送给终端，终端接收到命令以后就开始启动系统安防模式后，需要延时60～120秒才能进入正常检测状态，以便用户离开监测现场，防止误报。系统进入监控模式以后，如果有人经过，就会产生一个中断，而且这个中断须大于20毫秒，如果小于20毫秒说明是干扰，当中断产生以后，终端就会按协议发送一次有人的警告命令给协调器，协调器收到命令以后就发送给电视机，电视机收到命令以后就开始控制摄像头开始录像，终端每2秒钟发送一次有人的警告命令，持续6秒钟，如果在这6秒钟之内，再次有中断产生，那么有人警告的6秒钟时间就会刷新，重新计时，终端仍然是每2秒发送一次：如果6秒的有人警告时间之内没有再次发生有人中断，就会进入6秒钟的无人警告模式，中断就会每2秒钟发送一次无人的警告命令给协调器，协调器发送给电视机，摄像头仍然继续录像，如果在6秒钟的无人警告时间内，再次发生有人的中断，就会重新进入6秒钟的有人警告模式，摄像头仍然持续的录像，如果6秒钟的无人警告时间结束都没有有人中断产生，那么终端就不会在发送无人的协议命令给协调器，当电视机收到三次无人命令信息以后就关闭摄像头的录像功能。
7 小结
基于ZigBee无线模块的物联网电视智能家居系统相对于WIFI，蓝牙等其他的无线通信系统来说相对简单些，但是其本身还是比较复杂的，通过搭建起来整个物联网电视的结构框架和通信协议，通过几个典型的智能家居的功能来把整个物联网电视的智能家居的具体的工作流程、开发细节以及整个的框架展现给读者，本设计经过实际的开发，已经可以达到演示的效果。智能家居不仅仅是着眼于未来，一切智能化，还要着眼于现在，把现在正在使用的不是智能化的家用电器智能化，做智能家居的宗旨是使家庭生活更舒适，更安全，更方便。
接触网是铁路运行必不可少的高压输电线。接触网在使用中，断线会造成重大事故，如行车中断、人员伤亡等。在日常维护中，除了测量磨耗这个方案，别的方案都无法及时找到断线隐患。随着近几年接触网技术装备的投入使用，因几何参数超标造成的故障已得到改善，而断线故障却一直无法得到解决。当线索张力为0或者接近于0，则表示已经断线。根据断线的原因及物理特性，若对接触网的温湿度及线索张力进行实时检测，那么就能事先判断断线的可能性，及时采取措施。
传统的电气设备在线监测系统所采用的连接方式为有线的RS485连接，该方式不止会让现场作业时布线困难，而且施工周期长，成本高，不易于维护。ZigBee无线通信功耗低、成本低、安全性高、实时性强，相比来说，更适用于接触网电气设备在线监测。为此，本文设计了应用ZigeBee无线模块通信技术进行接触网在线监测的系统。
1 系统设计
1．1系统总体方案
接触网在线监测系统包括ZigeBee采集数据、接收数据以及上位机监控管理系统。接触网ZigeBee数据采集模块包含了一些传感器，所采集的数据包括线索张力、温度和湿度。传感器节点主要负责根据上位机监控管理系统的指令采集数据，部分节点还具备路由功能，可转发其它节点的数据；接收数据模块即ZigBee数传网络中的网关节点——协调器，主要负责发起网络，收集网络中传感器节点所采集到的数据，最终数据的采集和传输是通过多跳的方式实现的。通过串行通信端口可以将协调器节点的数据发送给监控管理系统。监控管理系统主要完成向协调器节点发送采集命令，将接收到的接触网数据进行存储、显示、整理归纳，一旦数据与预设值相差太大立刻报警，对整个网络工作状态进行控制。
在铁路沿线上，以2km为单位，设计一个小型的ZigBee无线模块网络，一般接触网支柱与支柱间的距离不超过65m，可将传感器节点安置在接触网支柱上面，即以每个支柱为一个节点，监测接触网状态。这样每个小型的ZigBee无线模块网络就大约有31个节点，各以一个协调器节点为中心进行组网。由于行车时段与空闲时段对接触网参数会有影响，所以采集的数据分为行车时数据和空闲时数据。
1．2系统硬件设计
外围器件主要有两大模块：串口通信模块和射频传输模块。
LED指示灯用来指示网络的连接状态和数据传输，键盘是用在对网络的配置。ZigBee数传模块采用2．4GHz免授权的ISM频带，共有16个信道。射频传输模块包括：匹配网络和滤波网络。系统硬件框图见图1。
圈1 系统硬件框图
1．3系统软件设计
1．3．1帧结构的定义在本网络中，任何通信数据都是利用帧的格式来组织的。根据IEEE802．15．4协议，系统定义了两种帧类型：命令帧和数据帧。命令帧只由一个帧头组成，数据帧由帧头和用户数据组成。
数据帧和命令帧中的起始标志位和结束标志位都取相同的数7EH，为保证协调器和主控制设备之间数据传输的透明，需对信息字段中出现的标志字节进行转义处理，转义定义如：7EH=7DH+01H。具体如表1所示：
表1 帧格式定义表
1．3．2 ZigBee数据采集和接收模块
网络中数据通信可以分为直接通信和间接通信。间接通信是指节点之间通过端点绑定建立一种通信表，该通信方式不用清楚目标节点的网络地址，Z-Stack自动从绑定表中查找目标设备的网络地址。直接通信采用网络短地址作为参数调用适当的APl发送数据。为了网络能够更加灵活的应用，系统采用直接通信，并且终端设备和采集模块实现透明传输。这样采集模块就完全不必理会终端设备的工作原理，只需要遵守相应的波特率。
终端设备从ZigBee数据采集模块收到数据后，把数据组装成数据帧，然后把帧传给协调器(也就是网络地址Ox0000)。协调器和主控制设备之间的串口通信，则必须遵守系统规定的帧格式。协调器从主控设备收到数据后，先对帧进行识别。如果是命令帧，则根据相应的命令做出应答。如果是数据帧，则提取出网络地址，并把帧发送到相应的节点上。数据传输的流程图如图2所示：
围2 协调器与终端设备的通信机制
1．3．3上位机监控管理系统
上位机监控管理系统是整个接触网在线监测的重要组成部分，采用C语言编制，操作简单，易于管理。可发送数据采集指令、接收数据并显示，对于接触网断线可能性高的地方标以红色并报警，可以通过查询数据库查看历史数据。监控系统报警过程如图3所示。
图3 上位机监控管理系统报警流程
2 系统测试及分析
协调器和主控制设备通过串口线连接，如图4所示。因为两个设备都是工作在3．3V，所以不需要电平的转换直接就可连接。连接好后，给ZigBee数传模块加上工作电压。等待协调器建立网络成功后，使用主控制设备的触摸屏上的刷新控件进行节点信息的刷新。进入主界面后，在窗口的下拉菜单显示出当前的节点，有Rouler节点和End节点。在触摸屏上选中End节点，就可看到从采集设备传送过来的张力、温度和湿度值。接着选中窗口中的图3上位机监控管理系统报警流程LED控件，将会弹出一个新的窗口，上面有四个控件Ledl、Led2、Led3、Led4。随便选中其中一个控件，就可看到采集模块上的Led灯被点亮。系统测试网络包括1个协调器节点和5个传感器节点，最终数据传输到监控管理系统，界面如图5所示。
图4 协调器和主控制设备的通信
图5 上位机监控管理系统
根据联机调试结果分析，主控制设备和上位机能够非常稳定的接收到采集设备发送的温度和湿度值。系统采用了应答／重发机制，因此网络问数据的通信非常稳定，几乎不会出现数据丢失，除非节点断开网络。
在测试数据传输的可靠性中，当数据量大时，会出现丢帧的现象。经过分析发现，是由于终端设备为了降低功耗采用了睡眠模式，会周期性的进入休眠状态，这将导致帧的大量堆积从而导致数据的丢失。对于传输速率要求较高的应用，可以采用路由器替换终端设备，但是这样会增加设备的功耗。在一般的应用中，本系统完全满足要求。
3 结束语
本系统屏蔽了复杂的协议，仅通过串口、命令帧和数据帧就可以实现ZigBee数传模块通信。网络采用了网状网络的的拓扑结构。网络在通信时，主要使用直接通信。为了让数据稳定传输，系统采用应答／重发机制。能够有效的判断接触网断线的可能性及具体位置，发出警报。操作简单，系统易于管理维护。采用的ZigBee无线模块通信成本低、功耗低，可在电气化铁路上推广，为接触网安全提供重要的保障。
0 引言
目前，我国一些地方利用从国外引进的农业节水灌溉系统，对于灌溉水平和水资源利用率的提高起到了一定的积极作用，但由于系统成本过高、参数标定不完整、缺乏相对应的高级决策功能、系统维护和更新难以保证等众多的问题限制了农业节水灌溉系统的使用和大面积推广。针对目前的现状开发基于ZigBee无线模块的智能节水灌溉系统，对提升节水灌溉农业技术的高科技含量，建立适合我国国情的节水灌溉农业技术体系。
本文以ZigBee无线模块技术、GPRS技术为核心，实时采集田间土壤温度、湿度等数据进行ZigBee数据采集，完成智能节水灌溉系统的应用研究，监测土壤的墒情和农作物的生长，实现节水灌溉管理智能化的设计思想。
1 ZigBee简介
ZigBee 技术的前身是“HomeRFlite”技术，其核心协议由2000 年12 月成立的IEEE 802.15.4 工作组制定的，高层应用、互联互通测试和市场推广由2002 年8 月组建的ZigBee 联盟负责。ZigBee 强调低成本、低耗电、双向传输、感应网络功能等特色。IEEE 终将ZigBee 接纳为IEEE 802.15.4 的标准与ZigBee 联盟共同致力于WPAN的标准制定。ZigBee 作为一种无线连接，可工作在2.14GH(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3 个频段上，分别具有最高至250 kbit/、20 kbit/s、40 kbit/s 的传输速率，它的传输距离在10~75m的范围内，但还可以继续增加。依据发射功率的大小和应用模式而定，1台ZigBee设备可以连接多达254个同类的设备。
2 智能节水灌溉系统的总体方案设计
智能节水灌溉系统以ZigBee无线传感器技术为核心，综合利用无线网络技术、GPRS技术、Internet 技术、节水灌溉技术和应用自动化控制技术进行精准农田信息（田间土壤水分、温湿度、雨量、蒸发量等）采集，通过Internet 网络平台、网络平台灌溉管理系统，实时远程监测作物的需水和生长状况，智能决策并实现节水灌溉系统电磁阀实现自动控制，使传统的灌溉系统实现了由静态向动态“人工智能”的转变。智能节水灌溉系统总体方案结构如图1所示。
图1 ZigBee 智能节水灌溉系统结构图
3 系统功能模块设计
3.1 灌溉实时数据采集模块
系统灌溉实时ZigBee数据采集系统由田间土壤水分监测传感器系统、温湿度监测传感器系统、雨量蒸发量监测传感器系统组成。这个系统的功能是，实时采集灌溉区域各个传感器数据，通过ZigBee数传模块网络传递到数据接收系统。
系统由温度、湿度ZigBee数据采集与数据发送端和数据接收端两部分组成，发送端由测温电缆、采集器、检测分机组成，接收端由微型计算机、检测主机组成。每一个采集器可接多个传感器，一台检测分机最多可驱动16 个采集器。接收端的微型计算机主要进行温度数据存储、分析、管理，检测主机根据计算机给出的检测命令向各检测分机按顺序发出各种命令，同时接收各分机发送的传感器数据传给计算机。通信采用时分复用技术，既检测主机通过扫描的方式与各个发送端进行点对点双向通信。
3.2 数据通信模块系统
ZigBee 无线监测主要由分布在监测区域的各种水位计、雨量计和闸位计组成，各测量单位都配备有低成本的ZigBee无线模块远端节点用于无线网络上传数据； 监测区域内也按照距离的需要分布有ZigBee无线模块路由节点组成了无线ZigBee数传网络，所有的水文数据都可以通过这一网络上传到ZigBee 中心节点，其覆盖范围几乎可以无限的扩展；它无距离限制，且无需网络规划、几乎不需要维护；所构建的ZigBee 网络既可以是星形拓扑，也可以是网状网络拓扑，不论是哪种拓扑结构的ZigBee 网络，根据实际的组网需要，设计合理的网络结构。接收来自ZigBee无线传感器的采集数据，或发送来自网络传递的数据，通过数据转换，传输到远程计算机系统或接受远程监控命令。把数据接收系统采集的雨量蒸发量值、温湿度等数据和嵌入式计算机系统的内根据不同作物的土或灌溉对象设置灌溉参数值进行数值分析计算，决定是否灌溉，把判断结果输出到数据发送系统。由采集数据数值计算与处理系统的功能是将计算机判断与结果输出的结果转换成无线控制指令，发送到控制系统。
3.3 GPRS数据终端模块系统
本系统数据采集主要由GPRS 数据传输终端、监控终端、GPRS网络以及地面监控中心等部分协作完成。其中，灌溉系统监控终端完成数据的采集与处理工作，采集到的数据通过ZigBee 无线传感器模块与GPRS数据传输终端相连接，并通过GPRS数据传输终端内置的嵌入式处理器进行处理以及协议的封装，然后发送到GPRS网络，GPRS网络通过串行通讯方式与地面监控中心进行通信，监控中心接收到数据后对数据进行分析处理，并将有效数据保存到监控中心数据库中。GPRS模块主要包括数据处理模块、通信模块、模数转换模块和显示模块四部分。数据处理模块包含CPU芯片，CPU用于处理与通信模块、模数转换模块和显示模块间的数据传输，为保证数据不因为断电而丢失，采用Flash器件对数据进行存储。
4 无线测温系统的软件设计
本系统软件设计比较复杂，整个软件系统的流程如图2 所示，主要有以下几个关键函数：DS18B20 初始化及温度采集函数、发送（接收）函数、数据显示函数、串口通信函数等。
图2 无线测温系统软件流程
5 结论
本文提出一种基于ZigBee无线模块的传感器网络技术的节水灌溉系统的软件设计与实现方法，以ZigBee数传模块为核心，结合嵌入式技术和节水灌溉技术，实现了田间土壤水分、温湿度、雨量、蒸发量等各种数据的实时ZigBee数据采集，由ZigBee无线传感器网络传输数据，通过开发节水灌溉决策系统软件计算，输出指令，自动控制灌溉的智能节水灌溉系统。
目前，针对一定区域内信息和设备进行监测和控制多采用有线方式通信，网络在布线和维护过程中由于线路腐蚀和损坏造成网络中断，给正常生产工作带来影响，同时也增加了人力资源成本比重。基于此，从节省成本和网络稳定性考虑，给出一种基于ZigBee技术的多节点设备无线自组网设计方案。
基于IEEE 802．15．4协议的ZigBee技术是一种新兴的短距离无线通信技术，具有功耗低、成本低、网络容量大、可靠性和安全性高等特点。采用ZigBee无线模块的传感器节点只需要很少的能量，就可以在多个传感器之间相互协调，以接力棒的方式利用无线传输将数据信息从一个传感器传到另一个传感器。ZigBee数传技术目前被广泛应用到无线工业、精准农业、家庭和楼宇自动化、消费家电以及医疗服务等领域，是国家“十二五”规划中信息技术重点扶持方向。本文主要内容包括网络节点硬件设计、ZigBee数传网络结构实现和无线Mesh网络测试。系统利用终端节点采集数据，通过多跳路由汇聚到协调器节点实现多节点设备无线自组网。
1 系统网络结构
系统网络拓扑结构如图l所示，采用基于树状Mesh拓扑结构⋯，网络由协调器节点(Coordinator)、路由节点(Router)和终端节点(End Device)3种类型的功能模块构成。
图l 基于树状无线Mesh拓扑网络结构图
2 无线自组网络节点硬件设计
无线自组网络节点能耗决定整个网络的生命周期，从硬件结构看，节点能耗主要在微处理器模块，选择高性能低功耗微处理器可以降低节点能耗，延长网络生命周期。基于此，采用TI公司的CC2530作为主控芯片，用于ZigBee无线模块的片上系统，内部集成射频收发器、增强型8051内核、8 KB RAM，封装小、功耗低。
2．1终端节点和路由节点
终端节点主要负责ZigBee数据采集，通过射频电路传送信息到协调器节点。路由节点允许子设备加入网络，多跳路由并协助终端节点进行通信，完成数据信息的转发，延长数据传输距离。两种节点硬件电路结构如图2所示。
图2 终端和路由节点硬件结构图
路由节点没有传感器电路，由于实现功能不同，两种节点软件驱动也不同。传感器电路负责ZigBee数据采集并完成数据转换；片上系统CC2530负责对采集信息进行处理以及整个节点设备的任务管理(包括无线信号的收发处理以及ZigBee协议操作)；电路射频部分采用阻抗匹配电路与天线馈线组成，用一个巴伦优化处理，满足输入输出匹配电阻(50 欧)要求；液晶电路显示节点状态；Flash ROM负责存储数据信息；按键电路方便用户对节点设置，如收发数据时通过按键配置；LED电路指示网络连接状态。
2．2协调器节点
协调器节点硬件结构图如图3所示。节点负责整个网络初始化，确定ZigBee网络ID号和操作的物理信道，并统筹短地址分配，提供数据路由和安全管理服务。协调器节点与终端节点以及路由节点最大的区别在于：
(1)协调器节点通过SP3232电路与上位机通信，由于PC与单片机之间接口不一致，通过SP3232实现USB到串口转换；
(2)协调器节点负责与终端节点或者路由节点进行信息通信，不具有ZigBee采集采集功能。
图3 协调器节点硬件结构图
3 ZigBee协议栈软件设计
系统设计ZigBee协议选择ZigBee-Pro，协议栈版本为ZSTACK-CC2530-2.3.O-1.4.0。整个系统无线网络由事先被定义为协调器的主节点建立。
3．1协调器节点软件设计
协调器软件设计包括初始化设备、协调器组网、路由节点和传感器节点入网以及数据信息处理(包括数据收发功能)等。协调器节点上电后监测到ZigBee数传模块网络，则协调器节点作为路由节点加入到该网络；若监测无网络，则该节点作为协调器节点构建ZigBee网络，终端节点和路由节点加入到该网络。ZigBee网络在2．4 GHz频带划分16个信道，步长值为5 MHz，编号为1l～26。协调器通过调用函数MAC_MlmeScanReq((macMlmeScanReq_t*)pData)对信道能量扫描，能量水平高标志该信道无线信号活跃，协调器根据能量扫描信息选择一个可以利用的信道建立自己的无线网络。另外，每个协调器设备已经具有唯一固定的64 bit MAC地址作为组网标识，同时必须分配给自己一个16 bit的网络短地址(PAN ID)，节点设备使用短地址通信可以使网络更轻量级、更加高效。协调器默认网络短地址为0x0000。协调器节点的主要功能是对网络中各子节点进行管理，接收各子节点的状态信息并将信息上报上位机进行数据处理。图4为协调器通信流程图。
图4 协调器通信流程图
3．2 路由节点软件设计
路由节点一旦监测到网络便会自动绑定到一个相应的协调器节点或者父路由节点，申请加入网络。作为入网申请，无论是路由节点还是终端节点，都需要对设备进行配置，作为路由节点令logiclType=ZG_DEVICETYPLROUTER，通过调用函数zb_WriteConfigration(ZCD_NV_LOGICAL_TYPE，sizeof()，&logicalType)选择路由节点。路由节点申请入网成功后若有其他节点申请加入，需要判断申请节点是路由节点还是终端节点，为节点配置系统加载项，完成节点入网工作。若节点入网成功则该路由节点为申请入网节点分配网络地址。通过多跳数据转发机制进行数据交换，并根据选择的路由节点转发数据，提供网络的连通性，数据的发送和接收通过应用层调用完成数据帧ACK应答机制。图5给出了路由节点通信流程图。
图5 路由节点通信流程图
3．3 终端感知节点软件设计
终端感知节点主要完成信息采集，通过路由节点传送到协调器节点以RS232方式进行传输供上位机对数据进行处理。终端节点上电后，对节点设备进行配置，令1ogicalType=ZG_DEVICETYPE_ENDDEVICE，通过调用ZD0_Start()申请加入父节点。但是在终端节点入网之前，路由或者协调器节点无法获得终端节点的网络地址，可通过对设备绑定解决该问题。终端节点调用zb_Bind_DeviceRequest()发出绑定请求，并通过zb_AllowBindResponse()对配对请求作出响应，同时路由或者协调器节点执行zb_BindDevice(TRUE，clusterID，NULL)与终端节点发生绑定，如果绑定成功则绑定表建立在路由或者协调器节点上，绑定表中的ClustedD(簇标识符)值相等，且属性相反。通过clustedD获得终端节点的网络地址，绑定成功后终端节点执行zb_sendDataReques()周期性发送采集的数据信息。图6为终端节点通信流程图。
图6 终端节点通信流程图
4 节点网络自组织和自愈功能测试
进行ZigBee组网测试时，通过设置4个节点(其中1个协调器节点、两个路由节点、1个终端感知节点)进行自组和自愈网络测试。采用串口调试助手和TI公司监控软件ZigBee_Sensor_Monitor进行组网测试。串口配置：端口号COM8，波特率38 400 bps、8位数据位、l位停止位。测试过程中，系统通过串口实现协调器与上位机监控端通信。协调器汇聚各个节点采集的信息，串口接收到的数据帧定义如表l所示。
表l 数据帧格式
由于每个网络只能拥有网络内唯一一个协调器，协调器通电后，初始化其中64位IEEE地址为0x00124B000lFA9D87，网络短地址PAN lD为0x00100，协调器执行zb_BindDevice()接收其他节点绑定请求，组建网络。
路由节点l上电后，自动搜索父节点(即协调器节点)加入网络，入网成功则路由节点l周期性发送节点信息经协调器上传到PC端，串口接收到数据信息为0x(FE 0A 46 87 01 00 02 00 04 00 FF FF 00 00 CC)，根据表l中对数据帧定义，其中路由节点l短地址PANID为0x000l，其父节点PAN lD为Ox0000。继续将路由节点2上电加入到网络中，路由节点2搜索父节点(即协调器节点)，入网成功后路由节点2周期性发送数据信息，上位机通过串口接收数据信息为0x(FE OA 46 87 3E 14 02 00 04 00 FF FF 00 00 E7)，根据表l中对数据帧定义，其中路由节点2短地址PAN ID为0x143E，其父节点PAN ID为0x0000。
继续将终端节点上电加入到网络中，终端节点自动搜索并绑定到距离其最近的路由节点2，成功入网后终端节点周期性地将采集到的信息通过路由节点2和协调器节点上传到PC端。串口接收数据信息为：0x(FE 0A 46 87 6D 28 02 00 04 00 14 23 3E 14 95)，其终端节点短地址PAN ID为0x286D，其父节点PAN ID为0x143E，信息位0x14表示当前采集温度为20℃，4个节点无需人工干预，组网成功，实现了网络拓扑结构的自动组建功能。终端节点入网成功后通过上位机组网监控界面如图7所示。
图7 节点组网结构
设定路由节点2故障，中断信号传输，则终端节点会自动搜索网络找到距离其最近的父节点(即路由节点1)，绑定并入网成功，同时周期性地向协调器发送采集数据信息。串口接收到的数据信息为：0x(FE 0A 46 87 30 14 02 00 04 00 13 23 0l 00 D8)。其中终端节点短地址PAN ID为0x1430，其父节点PAN ID为0x0001，信息位0x13表示当前采集温度为19℃。当节点2发生故障时，网络能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，无须人工干扰，系统能够正常工作。节点自我修复后上位机组网监控界面如图8所示。
图8 节点修复组网结构图
本文给出了一种基于ZigBee无线模块多节点设备无线自组网方案，详细介绍了ZigBee数传模块节点硬件电路和软件系统设计，通过对多个节点进行ZigBee数据采集测试完成网络的自组织连接和自愈修复功能，使网络系统运行正常。节点设备具有通信协议简单可靠、灵敏度高、测量准确、功耗低，节点布置灵活、系统易于扩展等优点。另外，系统可应用于农村蔬菜种植、花卉园艺等各种类型温室大棚环境的智能化监控、智能家居节点设备的组网、工业节点的无线定位、医疗物联网等领域，具有较大的市场竞争力和广阔的应用前景。
0 引言
随着信息化时代的到来，ZigBee无线模块广泛应用在军事、智能家居、医疗监护环境监测和远程工业控制领域。事实证明，无论是工厂、办公楼还是家居都需要无线传感网络的支持。为了满足社会对无线传感器技术的需求，出现了多种短距离的无线通信技术，如Bluetooth和红外技术等。这些技术确实给我们的工作和生活带来方便。但是对于远程监控系统、家居智能控制和工业自动化控制领域来，这些技术难以满足人们的需求, ZigBee数传技术的出现带来了革命性的变革。
由于使用成本低，技术难度小，ZigBee数传模块被广泛地应用工业远程控制和智能家居领域。无线传感器网络不需要太高的传输带宽，其极低的功率消耗使得无线传感器网络设备的工作寿命更长。
1 无线传感网的构成
ZigBee无线模块无线传感网（RSN）配备了三种类型的节点：传感器节点（sensor node）、汇聚节点（syntaxesnode）和管理节点（management node）。将许多的带有射频功能的节点任意地分布在被监控区域之内，然后自动地组建一个无线网络。当数据经过节点的预处理后，再传输到其它的节点，然后再转到汇聚节点，最后到达管理节点。
图1 无线传感网（RSN）组成
该传感器节点既可以作为终端设备也可作为当路由设备，汇聚节点相对其它节点来说具有更强的功能，它能够转换协议使得管理节点和传感器网络实现通信，并且保证了管理节点发布一些控制命令的功能。
RSN的基本组成单元是无线传感器网络节点，它一般包括ZigBee数据采集和处理模块、传输模块、供电模块和其它的组件，如图2所示。
图2 无线传感器网络节点结构
主要包括：
（1）ZigBee数据采集模块：包括传感器和AD转换模块，主要用于获取数据信息
（2） 数据存储模块：包括处理器单元和存储器，进行数据的存储转发工作。
（3）数据传输模块：ZigBee无线模块，主要是和其它节点交换数据。
（4）电源模块：采用普通5号电池。
（5）辅助模块：一些用户自定义的系统。
2 系统软硬件设计与实现
本文基于ZigBee数传模块设计的的无线温度传感网络系统实现了温度传感器的无线信号传输与控制，具有低功耗、安装维护方便等有点。它还可以和其它的通信技术（如GSM/GPRS）以及其它传感器结合起来，实现对监测区域的远程监控。
（1）网络结构
本系统采用星型网络结构，主要包括了三个部分，分别是：一个协调器、三个终端节点和上位PC机。终端节点上加上DS18B20和蜂鸣器，将终端放置于监测区域的不同位置，通过DS18B20进行ZigBee数据采集并存储外部的温度，当温度超过或低于某一温度限度时则发出报警；协调器负责搜索并组建Zigbee数传网络，同时完成传感终端与上位PC机间的数据传输；PC机负责显示接收到的温度数据并绘制出平均温度的实时变化曲线图。
（2）系统实现过程描述
中心板上电后，首先自启动为协调器，搜索信道组建网络成功后，自动进入允许绑定状态的自启动模式。在该模式下，LED状态指示节点中的LED1和LED3长亮，LED2闪烁几秒变暗，指示设备已被配置成成协调器并自动处于允许绑定状态。终端节点上电后自动发送加入网络的请求，它会试图发现一个合适的协调器并且将自己和协调器绑定起来，在本系统中，采用星型网络拓扑结构只存在一个协调器，因而终端节点能够自动加入网络并和协调器建立绑定，此时它的LED状态指示节点中的LED1和LED2会快速闪烁。绑定成功建立后，终端设备会根据程序中设定的发送报告周期时间周期性地将采集到的温度数据发送给协调器，此时协调器的LED状态指示节点中的LED2会慢速闪烁。
（3）系统硬件总体设计
主协调器的硬件系统包括了供电模块、LCD显示人机交互模块、LED节点状态指示模块、串口转USB模块、仿真器模块。主协调器的硬件整体系统设计框架如图3所示。
图3 主协调器硬件设计框图
其中，仿真器模块主要用来将程序下载到硬件板中；CC2530通信模块负责接收和存储数据，并向传感器节点传输控制信息，并且负责与PC机进行数据交换；LCD显示模块和PC上位机负责显示传感节点发送的温度数据，方便进行人机交互；LED节点状态显示模块用来指示节点的工作状态，方便系统的测试和使用；串口模块负责转换CC2530模块和PC机之间的通讯信号。本系统中采用USB供电方式进行供电。
（4）传感器节点设计
传感器节点硬件系统包括供电模块、温度测量传感器模块、蜂鸣器报警模块、LED节点状态指示模块和CC2530通信模块。传感器节点硬件整体系统设计实现框架如图4所示。
图4 传感器节点硬件结构示意图
温度测量传感器采用DS18B20，负责采集监测区域内的温度数据；蜂鸣器报警模块负责当温度数据超过或低于限定值时发出报警信号；LED节点状态显示模块用来指示节点的工作状态，方便进行系统的测试和使用。
（5）供电电路的设计
本系统中为了保证电压的稳定性和测试方便采用了USB供电的方式，通过AMS1117-3.3V将5V的电压降压成3.3V供电路使用。
传感器终端节点采用用微型电池进行供电，由于系统的功耗极低，因而电池供电可持续6个月-2年，本系统采用了两节5号电池，其供电电路较为简单。
（6）协调器液晶显示电路的设计采用ZLE12864A的点阵图形液晶显示模块，采用串口控制方式，液晶显示电路如图5所示：
图5 液晶显示电路图
（7）协调器串口电路的设计
上位PC机通过串口电路对从协调器传送来的温度数据进行实时显示并绘制变化曲线。系统通过MAX3232来实现电平的转换，该器件支持小电压工作，工作电压可在3-5V，外围器件少且工作可靠，被广泛地用于RS232通信标准的收发信号转换。串口电路图如图6所示：
图6 串口电路图
（8）协调器仿真器模块的设计
本系统的仿真器采用高性价比的smartrf04EB，smartrf04EB具有方便使用容易上手等特点，具有较稳定的仿真性能。其硬件电路如图7所示：
图7 仿真器连接电路图
3 测试结果
经过测试，ZigBee无线模块温度传感网络在室内进行通信时，有效距离为70m左右，在空旷地域测试时有效通信距离为350m左右，运行稳定。经过以上的整体测试，系统基本达到了预订的设计目标，并且具有一定的可扩展性，只要在软件和硬件上进行相应的改动就可以增加传感器的种类和数量，同时还可以加上路由节点来扩大通信的范围，可以实现对多种环境参量的实时监测，具有较大的发展前景。
4 结论
以射频芯片CC2530和DS18B20为核心，设计实现了基于ZigBee数传模块的温度传感网络的硬件和软件部分。基于ZigBee设计的无线温度传感网络具有很多优点，特别适用于工业化监测和需要进行大范围布置ZigBee数据采集的应用场合， 具有很强的实用价值。
CC2530外围电路较简单，控制方便，并且传输距离较远，适合用于ZigBee组网的应用。