摘 要： 介紹了應用ZigBee技術的無線收、發模塊CC1010和溫、濕度傳感芯片SHT11，實現一個無線溫度、濕度監測系統的方案。
關鍵詞： ZigBee；CC1010；SHT11
無線技術的快速發展帶動了其應用領域的迅速擴大，然而無線設備在實際應用中又受到了功耗、成本、傳輸可靠性等方面的限制，這些問題在ZigBee無線技術問世之后得到了很好的解決。
ZigBee是一種近距離、低功耗、低速率、低成本、短時延的無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中。完整的 ZigBee協議棧由物理層(PHY)、介質訪問控制層(MAC層)、網絡/安全層和應用架構層4部分組成。其中，IEEE 802.15.4制定前2層標準，ZigBee聯盟在IEEE 802.15.4基礎上定義了網絡/安全層和應用架構層。ZigBee組網靈活，可構造星型網、樹型網及網狀網，1個星型網絡最多可容納254個從設備和1個主設備，具有較大的網絡容量，并且傳輸可靠性高。在無線通信技術上，采用免沖突多載波信道接入(CSMA-CA)方式，有效地避免了無線電載波之間的沖突，還建立了完整的應答通信協議。ZigBee設備工作周期短，內部協議簡單，收發間隔采用休眠機制，并且具有能量檢測及鏈路質量指示能力，可自動調整設備的發射功率，在保證通信鏈路質量的條件下，降低了功耗和成本[1]。
本文提出的無線溫、濕度監測系統的實現方案，就是基于ZigBee無線傳輸技術，發送端和接收端使用ZigBee協議進行無線溫、濕度數據的傳輸，下面介紹系統的硬件結構和軟件結構。
1 系統硬件結構
基于ZigBee技術的無線溫、濕度監測系統由2部分構成，即發送端和接收端。系統的硬件結構框圖如圖1所示。
在本系統中，發送端由若干個終端節點(以下稱發送節點)組成，每一個發送節點扮演著數據源的角色，它由1個溫、濕度傳感器和1個ZigBee無線射頻發送模塊組成，通過ZigBee網絡向接收端發送溫、濕度數據。接收端由1個ZigBee射頻接收模塊，1個MAX232轉串口模塊和主機組成。接收模塊建立1個星型的ZigBee網絡，扮演著網絡協調器的角色，通過ZigBee網絡接收各個發送節點發送來的數據，并通過MAX232傳輸到主機。下面詳細介紹發送端和接收端的硬件結構。
1.1 發送端硬件結構
在發送端，每一個發送節點都是由1個ZigBee無線射頻(RF)模塊CC1010和1個溫、濕度傳感器SHT11組成。
ZigBee模塊CC1010是挪威Chipcon公司推出的單片、多頻段、低功耗、超高頻射頻芯片。采用0.35 μm CMOS技術制成，內嵌高性能的8051微控制器(MCV)?？赏ㄟ^編程控制其工作于300 MHz～1 000 MHz頻段范圍之內。CC1010有UART0和UART1 2個串行接口，可通過寄存器來控制模塊的收/發模式(RX/TX)，CC1010的8051外設有P0、P1、P2、P3 4個通用的I/O口，每個I/O口都可由端口寄存器和端口方向寄存器來控制是讀取數據，還是輸出數據[2]。
溫、濕度傳感器SHT11將溫、濕度傳感器、信號放大調理、A/D轉換和數字通信接口集成在一個芯片上。數字接口方面，SHT11提供二線數字串行接口SCK和DATA，SCK為串行時鐘線，用于實現與微處理器之間的通信同步，DATA為串行數據線，與微處理器之間進行數據傳輸。此芯片接口簡單，傳輸可靠性高，測量精度可編程調節。測量和通信結束后，自動轉入低功耗模式[3]。
CC1010與SHT11連接如圖2所示。SHT11共有8個外接引腳線，GND、DATA、SCK、VDD，引腳連接如圖，其余4個引腳閑置。為避免信號沖突，在DATA線與VDD之間外接1個上拉電阻。在VDD與GND之間加入1個100 nF的電容，用以去耦濾波[3]。SHT11與串行接口類似但不兼容I2C總線協議，在此用CC1010的通用I/O口P0的P0_0、P0_1分別與SHT11的串行時鐘線SCK與串行數據線DATA相連接，用于實現通信同步以及數據傳輸。CC1010的發送/接收模式由寄存器RFMAIN控制，在發送節點設置其RXTX=1，為發送模式，并采用字節發送模式。
1.2 接收端結構
接收端由1個接收模塊CC1010、1個MAX232及主機組成[4]。在此令CC1010為接收模式，接收數據時，RF接收的信號經低噪聲放大器放大后翻轉進入混頻器，通過混頻后產生中頻信號，在中頻處理階段，該信號送入解調器之前被放大和濾波，解調的數據被放入移位寄存器中，然后存入RFBUF中。MCU把RFBUF中的數據取出后，存入UART的數據緩沖寄存器SBUF中，經由MAX232轉串口模塊將溫、濕度數據傳輸到主機，其結構如圖3所示。
2 系統軟件設計
系統的軟件設計分為發送端軟件設計和接收端軟件設計。每一個節點的軟件設計又分為驅動模塊和應用模塊。驅動模塊中的硬件驅動程序為應用模塊軟件提供接口函數，以下介紹應用模塊軟件設計。
2.1 發送端應用模塊軟件設計
發送節點的軟件設計主要包括以下兩部分：
(1)實現SHT11定時向CC1010傳輸檢測到的溫、濕度相對數據，并且CC1010內部的MCU對其溫、濕度相對數據進行濕度非線性補償和溫度補償，將其修正為準確值，并存入RFBUF中，經過調制發往接收端。調制后的數據包格式如表1所示。
表中，前導碼使接收端完成位同步，地址標識發送節點的身份，CRC校驗用于保證通信的可靠性，數據包是溫、濕度值。
(2)將CC1010與扮演協調器角色的接收端進行綁定，兩者分配一個相同且唯一的網絡ID，分配成功之后，用以實現在這唯一的ID標識的網絡中進行收、發數據，即使發送節點還處于另外一個ZigBee網絡之中，也不與其協調器通信，而只識別與其本身網絡ID相同的協調器。當發送節點初始化后，首先尋找與其綁定的協調器建立的ZigBee網絡，等待協調器將其加入網絡中，進行無線通信。每個發送節點的軟件設計是相同的，其程序流程圖如圖4所示。
2.2 接收端應用模塊軟件設計
接收端的ZigBee無線射頻模塊CC1010接通電源并復位后，首先要開始一個具有唯一ID標識的ZigBee網絡，應答與其綁定的各個發送模塊的請求并將其加入到網絡中，同時為每個發送模塊分配本網絡內唯一的16位的地址之后，等待發送端發送數據，當檢測到有數據時便接收這些數據，并通過MAX232將接收到的數據包傳輸給主機。接收端流程如圖5所示。
本文設計實現了一個由ZigBee無線射頻模塊CC1010，溫、濕度傳感模塊SHT11及主機組成的無線溫、濕度監測系統。本系統功耗極低、傳輸可靠性高、測量精度好。CC1010應用ZigBee無線技術組成的網絡具有容量大、功耗低、時延短、抗干擾性強的性能，并且通過編程，控制其在工作模式、節能模式和休眠模式3種模式間進行轉換，以節省能量[5]。SHT11接口簡單、測量精度好、測量和通信結束后可自動轉入低功耗模式來節省能量。所以本設計采用了這2種芯片來滿足系統對多節點、使用期長、可靠性高、響應實時數據的要求，特別是滿足了發送節點低功耗、傳輸可靠性高的要求。
參考文獻
[1] 蔣挺，趙成林.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.
[2] Single chip very low power RF transceiver with 8051-compatible microcontroller. http：//www.chipcon.com.
[3] Datasheet SHT1x Humidity and Temperature Sensor. http：//www.sensirion.com/en/pdf/product_information/Datasheet-humidity-sensor-SHT1x.pdf.
[4] 陳海波，區穎剛，胡均萬，等.基于CC1010的土壤水分無線監測系統的設計[J].農機化研究，2008(5).
[5] TORVMARK K H．Low power systems using the CC1010[Z]．Chipcon Application Note， NO 17，2002．