zigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布線問(wèn)題，提出了利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。該方案通過(guò)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線收發(fā)微處理器CC2430以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)流程，成功組建了一個(gè)大范圍的立體zigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)得到了各傳感器節(jié)點(diǎn)的溫度監(jiān)測(cè)，從而使檢測(cè)過(guò)程十分簡(jiǎn)單有效。

0 引言
    在糧庫(kù)溫控系統(tǒng)、冷庫(kù)溫控系統(tǒng)、智能化建筑控制系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)等眾多應(yīng)用系統(tǒng)中，都需要多點(diǎn)分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)。傳統(tǒng)的多點(diǎn)分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)多采用有線傳輸方式，需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量布線，這給系統(tǒng)的布設(shè)、維護(hù)和更新升級(jí)帶來(lái)諸多不便。本文設(shè)計(jì)的倉(cāng)庫(kù)溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)倉(cāng)庫(kù)各點(diǎn)溫度進(jìn)行連續(xù)24 h的監(jiān)控，從而使管理者可以在控制室隨時(shí)了解倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)的溫度信息。

1 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)
    ZigBee是一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線標(biāo)記和藍(lán)牙之間的無(wú)線技術(shù)方案。ZigBee的基礎(chǔ)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(gè)頻段，其中頻段868 MHz定義了1個(gè)頻道：頻段915 MHz定義了 10個(gè)頻道；頻段2．4 GHz定義了16個(gè)頻道。ZigBee技術(shù)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(luò)層協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，其設(shè)備可以構(gòu)造成星型網(wǎng)絡(luò)或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，連接地址分為16位短地址和64位長(zhǎng)地址。因而具有較大網(wǎng)絡(luò)容量。它的應(yīng)用層可根據(jù)用戶(hù)的需要進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。其ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖l所示。

    ZigBee技術(shù)具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和樹(shù)形結(jié)構(gòu)等三種主要的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型。特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。本設(shè)計(jì)就是采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)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(lèi)節(jié)點(diǎn)組成：ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)。圖2所示是其組成示意圖，其中ZigBee協(xié)調(diào)器是分布式處理中心，即匯聚節(jié)點(diǎn)。多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)置于不同的監(jiān)測(cè)區(qū)域，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)先把數(shù)據(jù)傳給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后匯聚節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳給上位機(jī)做進(jìn)一步處理并顯示給用戶(hù)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以與多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通信，這樣可以使本系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)區(qū)域，何時(shí)檢測(cè)哪個(gè)區(qū)域通常由用戶(hù)通過(guò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)來(lái)控制。當(dāng)被檢測(cè)區(qū)域的障礙物較多或者協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)距離傳感器節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，可以通過(guò)增加路由器節(jié)點(diǎn)來(lái)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。當(dāng)用戶(hù)沒(méi)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)只進(jìn)行低功耗的信道掃描。

3 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
3．1 ZigBee無(wú)線收發(fā)器CC2430
    無(wú)線模塊可選用無(wú)線收發(fā)器CC2430來(lái)實(shí)現(xiàn)。CC2430是挪威Chipcon公司的一款真正符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的片上ZigBee產(chǎn)品。CC2430采
用Chipcon公司最新的SmaitRF03技術(shù)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(qiáng)型805lMCU、32／64／128 KB的Flash內(nèi)存、8 KB的RAM、ADC、DMA和看門(mén)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(shí)為27 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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?yàn)檫B接非平衡變壓器可使天線性能更好。CC2430無(wú)線單片機(jī)在待機(jī)時(shí)的電流消耗僅0．2μA，在32 kHz晶體時(shí)鐘下運(yùn)行時(shí)的電流消耗小于1 μA。因此，使用小型電池壽命可以長(zhǎng)達(dá)10年。
3．2 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
    ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示，該節(jié)點(diǎn)由無(wú)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(dòng)的，用于RF口最合適的差動(dòng)負(fù)載是(115+j180)Ω。當(dāng)使用不平衡天線(例如單極天線)時(shí)，為了優(yōu)化性能，應(yīng)當(dāng)使用不平衡變壓器。不平衡變壓器可以運(yùn)行在使用低成本的單獨(dú)電感器和電容器的場(chǎng)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(shí)接32 MHz和32．768kHz的兩種頻率的晶振電路，以滿(mǎn)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(jī)，由于上位工控機(jī)與CC2430的電平不一致，所以需要一個(gè)MAX232電平轉(zhuǎn)換電路。

3．3 路由器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
    路由器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是將不同區(qū)域的數(shù)據(jù)從傳感器節(jié)點(diǎn)路由到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，因此，該電路比較簡(jiǎn)單，該節(jié)點(diǎn)由無(wú)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(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
    傳感器節(jié)點(diǎn)和硬件設(shè)計(jì)如圖4所示，該節(jié)點(diǎn)由無(wú)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(jiǎn)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(hào)，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(gòu)成多路溫度測(cè)量系統(tǒng)。DSl8820內(nèi)部有9個(gè)字節(jié)的暫存器，開(kāi)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(gè)單元可存放當(dāng)前的溫度值，以16位補(bǔ)碼形式表示12位溫度讀數(shù)，高位是溫度值的符號(hào)位。當(dāng)CC2430發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，DSl8820將測(cè)得的溫度值保存在MSB(高8位)、LSB(低8位1 2個(gè)單元中，以供CC2430讀取。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)所用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是IAR7，采用的協(xié)議棧為T(mén)I的Z-STACK。由于本系統(tǒng)采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)，所以，ZigBee協(xié)調(diào)器必須知道每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，這就需要每個(gè)傳感器在加入網(wǎng)絡(luò)后，都要把網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到傳感器的網(wǎng)絡(luò)地址后，便可建立地址表并存儲(chǔ)起來(lái)，以便用戶(hù)要求采集溫度數(shù)據(jù)時(shí)，依據(jù)地址表來(lái)采集每個(gè)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(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)程序流程圖，右邊是傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)程序流程圖。

5 結(jié)束語(yǔ)
    基于ZigBee技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)多個(gè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且開(kāi)發(fā)成本較低、性?xún)r(jià)比高，安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，且只需安裝二次就可以進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)工作，因而具有傳統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢(shì)，能較好地解決傳統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的布線、搬遷等問(wèn)題。非常適用于環(huán)境的監(jiān)測(cè)應(yīng)用。