摘 要：介绍了应用ZigBee技术的无线收、发模块CC1010和温、湿度传感芯片SHT11，实现一个无线温度、湿度监测系统的方案。
关键词：ZigBee；CC1010；SHT11

无线技术的快速发展带动了其应用领域的迅速扩大，然而无线设备在实际应用中又受到了功耗、成本、传输可靠性等方面的限制，这些问题在ZigBee无线技术问世之后得到了很好的解决。
　　ZigBee是一种近距离、低功耗、低速率、低成本、短时延的无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中。完整的 ZigBee协议栈由物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC层)、网络/安全层和应用架构层4部分组成。其中，IEEE 802.15.4制定前2层标准，ZigBee联盟在IEEE 802.15.4基础上定义了网络/安全层和应用架构层。ZigBee组网灵活，可构造星型网、树型网及网状网，1个星型网络最多可容纳254个从设备和1个主设备，具有较大的网络容量，并且传输可靠性高。在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入(CSMA-CA)方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，还建立了完整的应答通信协议。ZigBee设备工作周期短，内部协议简单，收发间隔采用休眠机制，并且具有能量检测及链路质量指示能力，可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，降低了功耗和成本[1]。
　　本文提出的无线温、湿度监测系统的实现方案，就是基于ZigBee无线传输技术，发送端和接收端使用ZigBee协议进行无线温、湿度数据的传输，下面介绍系统的硬件结构和软件结构。
1 系统硬件结构
　　基于ZigBee技术的无线温、湿度监测系统由2部分构成，即发送端和接收端。系统的硬件结构框图如图1所示。

　 在本系统中，发送端由若干个终端节点(以下称发送节点)组成，每一个发送节点扮演着数据源的角色，它由1个温、湿度传感器和1个ZigBee无线射频发送模块组成，通过ZigBee网络向接收端发送温、湿度数据。接收端由1个ZigBee射频接收模块，1个MAX232转串口模块和主机组成。接收模块建立1个星型的ZigBee网络，扮演着网络协调器的角色，通过ZigBee网络接收各个发送节点发送来的数据，并通过MAX232传输到主机。下面详细介绍发送端和接收端的硬件结构。
1.1 发送端硬件结构
　　在发送端，每一个发送节点都是由1个ZigBee无线射频(RF)模块CC1010和1个温、湿度传感器SHT11组成。
　　ZigBee模块CC1010是挪威Chipcon公司推出的单片、多频段、低功耗、超高频射频芯片。采用0.35 μm CMOS技术制成，内嵌高性能的8051微控制器(MCV)。可通过编程控制其工作于300 MHz～1 000 MHz频段范围之内。CC1010有UART0和UART1 2个串行接口，可通过寄存器来控制模块的收/发模式(RX/TX)，CC1010的8051外设有P0、P1、P2、P3 4个通用的I/O口，每个I/O口都可由端口寄存器和端口方向寄存器来控制是读取数据，还是输出数据[2]。
　　温、湿度传感器SHT11将温、湿度传感器、信号放大调理、A/D转换和数字通信接口集成在一个芯片上。数字接口方面，SHT11提供二线数字串行接口SCK和DATA，SCK为串行时钟线，用于实现与微处理器之间的通信同步，DATA为串行数据线，与微处理器之间进行数据传输。此芯片接口简单，传输可靠性高，测量精度可编程调节。测量和通信结束后，自动转入低功耗模式[3]。
　　CC1010与SHT11连接如图2所示。SHT11共有8个外接引脚线，GND、DATA、SCK、VDD，引脚连接如图，其余4个引脚闲置。为避免信号冲突，在DATA线与VDD之间外接1个上拉电阻。在VDD与GND之间加入1个100 nF的电容，用以去耦滤波[3]。SHT11与串行接口类似但不兼容I2C总线协议，在此用CC1010的通用I/O口P0的P0_0、P0_1分别与SHT11的串行时钟线SCK与串行数据线DATA相连接，用于实现通信同步以及数据传输。CC1010的发送/接收模式由寄存器RFMAIN控制，在发送节点设置其RXTX=1，为发送模式，并采用字节发送模式。

1.2 接收端结构
　　接收端由1个接收模块CC1010、1个MAX232及主机组成[4]。在此令CC1010为接收模式，接收数据时，RF接收的信号经低噪声放大器放大后翻转进入混频器，通过混频后产生中频信号，在中频处理阶段，该信号送入解调器之前被放大和滤波，解调的数据被放入移位寄存器中，然后存入RFBUF中。MCU把RFBUF中的数据取出后，存入UART的数据缓冲寄存器SBUF中，经由MAX232转串口模块将温、湿度数据传输到主机，其结构如图3所示。

2 系统软件设计
　　系统的软件设计分为发送端软件设计和接收端软件设计。每一个节点的软件设计又分为驱动模块和应用模块。驱动模块中的硬件驱动程序为应用模块软件提供接口函数，以下介绍应用模块软件设计。
2.1 发送端应用模块软件设计
　　发送节点的软件设计主要包括以下两部分：
(1)实现SHT11定时向CC1010传输检测到的温、湿度相对数据，并且CC1010内部的MCU对其温、湿度相对数据进行湿度非线性补偿和温度补偿，将其修正为准确值，并存入RFBUF中，经过调制发往接收端。调制后的数据包格式如表1所示。

　　表中，前导码使接收端完成位同步，地址标识发送节点的身份，CRC校验用于保证通信的可靠性，数据包是温、湿度值。
　　(2)将CC1010与扮演协调器角色的接收端进行绑定，两者分配一个相同且唯一的网络ID，分配成功之后，用以实现在这唯一的ID标识的网络中进行收、发数据，即使发送节点还处于另外一个ZigBee网络之中，也不与其协调器通信，而只识别与其本身网络ID相同的协调器。当发送节点初始化后，首先寻找与其绑定的协调器建立的ZigBee网络，等待协调器将其加入网络中，进行无线通信。每个发送节点的软件设计是相同的，其程序流程图如图4所示。

2.2 接收端应用模块软件设计
　　接收端的ZigBee无线射频模块CC1010接通电源并复位后，首先要开始一个具有唯一ID标识的ZigBee网络，应答与其绑定的各个发送模块的请求并将其加入到网络中，同时为每个发送模块分配本网络内唯一的16位的地址之后，等待发送端发送数据，当检测到有数据时便接收这些数据，并通过MAX232将接收到的数据包传输给主机。接收端流程如图5所示。

本文设计实现了一个由ZigBee无线射频模块CC1010，温、湿度传感模块SHT11及主机组成的无线温、湿度监测系统。本系统功耗极低、传输可靠性高、测量精度好。CC1010应用ZigBee无线技术组成的网络具有容量大、功耗低、时延短、抗干扰性强的性能，并且通过编程，控制其在工作模式、节能模式和休眠模式3种模式间进行转换，以节省能量[5]。SHT11接口简单、测量精度好、测量和通信结束后可自动转入低功耗模式来节省能量。所以本设计采用了这2种芯片来满足系统对多节点、使用期长、可靠性高、响应实时数据的要求，特别是满足了发送节点低功耗、传输可靠性高的要求。

参考文献
[1] 蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，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] 陈海波，区颖刚，胡均万，等.基于CC1010的土壤水分无线监测系统的设计[J].农机化研究，2008(5).
[5] TORVMARK K H．Low power systems using the CC1010[Z]．Chipcon Application Note， NO 17，2002．