zigBee無線網(wǎng)絡的溫度采集系統(tǒng)設計

摘要：針對傳統(tǒng)分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)的布線問題，提出了利用ZigBee無線網(wǎng)絡技術實現(xiàn)分布式溫度檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。該方案通過基于ZigBee技術的無線收發(fā)微處理器CC2430以及協(xié)調器節(jié)點、傳感器節(jié)點的硬件設計和軟件的設計流程，成功組建了一個大范圍的立體zigBee無線網(wǎng)絡，并通過網(wǎng)絡得到了各傳感器節(jié)點的溫度監(jiān)測，從而使檢測過程十分簡單有效。

0 引言
??? 在糧庫溫控系統(tǒng)、冷庫溫控系統(tǒng)、智能化建筑控制系統(tǒng)、中央空調系統(tǒng)等眾多應用系統(tǒng)中，都需要多點分布式溫度測量系統(tǒng)。傳統(tǒng)的多點分布式溫度測量系統(tǒng)多采用有線傳輸方式，需要在現(xiàn)場進行大量布線，這給系統(tǒng)的布設、維護和更新升級帶來諸多不便。本文設計的倉庫溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用ZigBee技術的無線通信網(wǎng)絡來對倉庫各點溫度進行連續(xù)24 h的監(jiān)控，從而使管理者可以在控制室隨時了解倉庫現(xiàn)場的溫度信息。

1 ZigBee無線網(wǎng)絡
??? ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，它是一種介于無線標記和藍牙之間的無線技術方案。ZigBee的基礎是IEEE 802．? 15．4，它規(guī)定了ZigBee的物理層和媒體接人控制層。ZigBee的工作頻段分別為868 MHz、915 MHz、2．4GHz三個頻段，其中頻段868 MHz定義了1個頻道：頻段915 MHz定義了 10個頻道；頻段2．4 GHz定義了16個頻道。ZigBee技術采用CSMA-CA的信道接入方式，可有效避免通信的沖突。ZigBee網(wǎng)絡層協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，其設備可以構造成星型網(wǎng)絡或點對點的網(wǎng)絡，連接地址分為16位短地址和64位長地址。因而具有較大網(wǎng)絡容量。它的應用層可根據(jù)用戶的需要進行開發(fā)利用。其ZigBee協(xié)議棧結構如圖l所示。

??? ZigBee技術具備強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持星型結構、網(wǎng)狀結構和樹形結構等三種主要的自組織無線網(wǎng)絡類型。特別是網(wǎng)狀結構，它具有很強的網(wǎng)絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。本設計就是采用樹形結構來擴大通信區(qū)域。

2 分布式溫度采集系統(tǒng)原理
??? 本系統(tǒng)由三類節(jié)點組成：ZigBee協(xié)調器節(jié)點、路由器節(jié)點、傳感器節(jié)點。圖2所示是其組成示意圖，其中ZigBee協(xié)調器是分布式處理中心，即匯聚節(jié)點。多個傳感器節(jié)點置于不同的監(jiān)測區(qū)域，每個傳感器節(jié)點會先把數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點，然后匯聚節(jié)點把數(shù)據(jù)通過串口傳給上位機做進一步處理并顯示給用戶。協(xié)調器節(jié)點可以與多個傳感器節(jié)點通信，這樣可以使本系統(tǒng)同時監(jiān)測多個區(qū)域，何時檢測哪個區(qū)域通常由用戶通過協(xié)調器節(jié)點來控制。當被檢測區(qū)域的障礙物較多或者協(xié)調器節(jié)點距離傳感器節(jié)點較遠時，可以通過增加路由器節(jié)點來增強網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。當用戶沒有數(shù)據(jù)請求時，傳感器節(jié)點只進行低功耗的信道掃描。

3 節(jié)點的硬件設計
3．1 ZigBee無線收發(fā)器CC2430
??? 無線模塊可選用無線收發(fā)器CC2430來實現(xiàn)。CC2430是挪威Chipcon公司的一款真正符合IEEE802．15．4標準的片上ZigBee產(chǎn)品。CC2430采
用Chipcon公司最新的SmaitRF03技術和0．18μmCMOS工藝制造，采用7×7 mm QLP48封裝。該芯片除了包括RF收發(fā)器外，還集成了加強型805lMCU、32／64／128 KB的Flash內存、8 KB的RAM、ADC、DMA和看門狗等。CC2430工作在2．4GHz頻段，采用低電壓(2．O～3．6 V)供電，且功耗很低(接收數(shù)據(jù)時為27 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時為25 mA)、靈敏度高(-97 dBm)、最大輸出為24dBm、最大傳送速率為250 kb／s。CC2430的外圍元件數(shù)目很少，它使用非平衡天線，因為連接非平衡變壓器可使天線性能更好。CC2430無線單片機在待機時的電流消耗僅0．2μA，在32 kHz晶體時鐘下運行時的電流消耗小于1 μA。因此，使用小型電池壽命可以長達10年。
3．2 ZigBee協(xié)調器節(jié)點的硬件設計
??? ZigBee協(xié)調器節(jié)點硬件設計如圖3所示，該節(jié)點由無線收發(fā)器CC2430、射頻天線RF、電源模塊、晶振電路和串口電路組成。RF的輸入／輸出是高阻和差動的，用于RF口最合適的差動負載是(115+j180)Ω。當使用不平衡天線(例如單極天線)時，為了優(yōu)化性能，應當使用不平衡變壓器。不平衡變壓器可以運行在使用低成本的單獨電感器和電容器的場合。電源模塊用于CC2430的數(shù)字I／O和部分模擬I／O的供電，供電電壓為2．0～3．6 V。CC2430可以同時接32 MHz和32．768kHz的兩種頻率的晶振電路，以滿足不同的要求。串口電路用于CC2430將接收到的數(shù)據(jù)傳送給上位工控機，由于上位工控機與CC2430的電平不一致，所以需要一個MAX232電平轉換電路。

3．3 路由器節(jié)點的硬件設計
??? 路由器節(jié)點的主要任務是將不同區(qū)域的數(shù)據(jù)從傳感器節(jié)點路由到協(xié)調器節(jié)點，因此，該電路比較簡單，該節(jié)點由無線收發(fā)器CC2430、射頻天線RF、電源模塊和晶振電路組成。

3．4 傳感器節(jié)點的硬件設計
??? 傳感器節(jié)點和硬件設計如圖4所示，該節(jié)點由無線收發(fā)器CC2430、射頻天線RF、電源模塊、晶振電路和串口電路組成。電路中DSl8820與
CC2430的連接非常簡單，僅需一根接口線，接口十分方便。由于每片DSl8820均有唯一的產(chǎn)品序列號，所以允許在單總線上掛接數(shù)十至上百片數(shù)字式傳感器，并可以非常方便地構成多路溫度測量系統(tǒng)。DSl8820內部有9個字節(jié)的暫存器，開始最高有效位元(Most Significant Bit，MSB)和最低有效位元(Least Significant Bit，LsB)這2個單元可存放當前的溫度值，以16位補碼形式表示12位溫度讀數(shù)，高位是溫度值的符號位。當CC2430發(fā)出溫度轉換命令后，DSl8820將測得的溫度值保存在MSB(高8位)、LSB(低8位1 2個單元中，以供CC2430讀取。

4 系統(tǒng)軟件設計
??? 本系統(tǒng)所用的開發(fā)環(huán)境是IAR7，采用的協(xié)議棧為TI的Z-STACK。由于本系統(tǒng)采用樹形結構，所以，ZigBee協(xié)調器必須知道每個傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡地址，這就需要每個傳感器在加入網(wǎng)絡后，都要把網(wǎng)絡地址發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器收到傳感器的網(wǎng)絡地址后，便可建立地址表并存儲起來，以便用戶要求采集溫度數(shù)據(jù)時，依據(jù)地址表來采集每個傳感器的數(shù)據(jù)。圖5所示是其程序流程圖，圖中的左邊是協(xié)調器節(jié)點的軟件設計程序流程圖，右邊是傳感器節(jié)點的軟件設計程序流程圖。

5 結束語
??? 基于ZigBee技術的溫度采集系統(tǒng)可同時對多個區(qū)域進行監(jiān)測，而且開發(fā)成本較低、性價比高，安裝維護簡單，且只需安裝二次就可以進行長期的監(jiān)測工作，因而具有傳統(tǒng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢，能較好地解決傳統(tǒng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)中存在的布線、搬遷等問題。非常適用于環(huán)境的監(jiān)測應用。