ZigBee技術在溫控系統(tǒng)中的應用

0 引 言
    目前短距離無線通信技術已成為無線通信技術的一個重要分支，現(xiàn)實中很多系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為少量的突發(fā)信號，這里采用的ZigBee技術就是具有統(tǒng)一標準的短距離無線通信技術，專門用于這類信息的傳輸，工作在2．4 GHz的免付費、免申請頻段上，傳輸速率為250 Kb／s。這種無線通信技術具有如下特點：傳輸距離遠、室內(nèi)大概有30 m，功耗低，工作模式情況下，ZigBee技術傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間很短，其次在非工作模式時，ZigBee節(jié)點處于休眠模式。
    這里把ZigBee技術應用到溫控系統(tǒng)中，現(xiàn)有的溫控系統(tǒng)，很多都是采用有線方式。通過有線方式傳輸信號，布線費用昂貴，維修困難，難于擴展，在某些情況下甚至無法布線成功，這是其遇到的一個極大困難，且系統(tǒng)的抗毀性也比較差，一旦主控制芯片出現(xiàn)了問題，整個系統(tǒng)就會崩潰。應用ZigBee技術以后，溫控系統(tǒng)可以從有線方式變?yōu)闊o線方式。

1 ZigBee技術的特點
    ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c使它非常適宜支持簡單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數(shù)。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數(shù)。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按三種方式工作，分別為：個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅適于非常簡單的應用。

2 對等網(wǎng)中的Mesh網(wǎng)絡的特點
    對等網(wǎng)是全部由完整功能器件(FFD)連接而成的，這種網(wǎng)絡能提供更高的可靠性，如圖1所示。

    綜上所述，這里采用ZigBee技術實現(xiàn)網(wǎng)絡的傳輸，并選用ZigBee支持的Mesh網(wǎng)絡實現(xiàn)此功能。對等網(wǎng)是全部由完整功能器件(FFD)連接而成的，這種網(wǎng)絡能提供更高的可靠性。
    該網(wǎng)絡有一個主控制節(jié)點，用來啟動整個網(wǎng)絡，這個主控制節(jié)點由專門的電源供電，另外還有專門負責路由信息的控制節(jié)點，給信息傳輸提供必要的路由，本身也可以參與溫度的測量，還有就是一些終端的節(jié)點，它們可以專門用來測量端點的溫度，另外在必要的時候，如網(wǎng)絡出現(xiàn)故障，它們啟動相應的命令，就又可以充當路由的功能。
    這種無線網(wǎng)絡具有較強的抗毀性，某個節(jié)點出現(xiàn)故障，路由節(jié)點可以選擇另外一條路由去完成此次傳輸。

3 Mesh網(wǎng)絡的建立過程
    這里所有的站點都是FFD(全功能器件)，可以用下面的方法組建一個網(wǎng)絡。
    每個大型的ZigBee的Mesh網(wǎng)絡都可以由一個中心協(xié)調(diào)器(PAN)和路由器(Router)組成。這里以采用以下原語實現(xiàn)：

   
    該原語由具有ZigBee協(xié)調(diào)器能力設備的應用層生成，發(fā)送給它的網(wǎng)絡層管理實體，請求初始化設備，使之成為一個新網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器。

   
    該原語返回在網(wǎng)絡中初始化一個ZigBee協(xié)調(diào)器請求的執(zhí)行結果。如果成功執(zhí)行了原語，則狀態(tài)參數(shù)設置為SUCCESS。
    設置ZigBee協(xié)調(diào)器以后，再采用NLME-PER-MIT-JOINING．request原語允許其他設備同其網(wǎng)絡連接。

    
    PermitDuration中參數(shù)的有效值從0x00~0xFF，0x00和0xFF分別表示連接是否有效，沒有確定的時間限制，這里選擇0xFF。
    返回：
    NLME-PERMIT-JOINING．confirm(
    Status                     與請求狀態(tài)相對應
    )
    當收到該原語后，初始化的設備上層即得知允許其他設備連接網(wǎng)絡請求原語的執(zhí)行結果，這里收到的結果應該為0xFF。
    在ZigBee網(wǎng)絡中，還要配置路由器，該原語如下：

    因為是采用的Mesh網(wǎng)絡，所以這里的Join-AsRouter的參數(shù)設置為TURE。
    一個新設備連接網(wǎng)絡成功后，就發(fā)送NLME-JOIN．indication原語，其語法如下：

   
    至此，一個完整的Zigbee網(wǎng)絡就建立成功。
    這個網(wǎng)絡具有很好的抗毀性，在Mesh網(wǎng)絡中，當一個鏈路或者一個設備失效時，上層的管理設備將要重新組織路由的信息。如果上層設備由于缺乏路由容量或者其他原因，該路由器設備將會給主協(xié)調(diào)器發(fā)送一個路由錯誤的指令幀，里面包含了失敗的原因。在必要的情況下，甚至可以從某一個節(jié)點開始，重新組織一個新的Mesh網(wǎng)絡。
    這里的ZigBee無線自組織網(wǎng)絡和Ad Hoc(無線自組織多跳網(wǎng)絡)還有一點區(qū)別，后者是在過一定的時間，重新選擇新的路由，而ZigBee的無線自組織是在路徑丟失的情況下，才會選擇新的路由。
    在某一個芯片出現(xiàn)故障時，會自動搜尋下一個路由，使得信息的傳輸不會受到影響；必要的時候，甚至可以選擇某一個芯片重新啟動整個網(wǎng)絡系統(tǒng)；而且采用這種方式，芯片之間接力傳遞，可以最大限度地提高網(wǎng)絡的覆蓋范圍。如果采用星型網(wǎng)絡，由于在終端節(jié)點不是FFD，而是RFD，如果FFD出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)就無法工作，另外其作用范圍也會受到限制。

4 DS18820芯片介紹
    美國Dallas半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS1 820是世界上第一片支持“一線-總線”接口的溫度傳感器，在整個過程中主要有三個關鍵的步驟：
    (1)搜尋DS18820的序列號。
    (2)如主機控制DS18820完成溫度轉換這一過程。
    (3)設定DS18820開始溫度轉換，讀取溫度的數(shù)值。
    根據(jù)DS18820的通訊協(xié)議：每一次讀寫之前都要對DS18820進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18820進行預定的操作。
    DS18820分為讀程序和寫程序兩部分，其中讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。對于DS18820的讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在15 s之內(nèi)就得釋放單總線，以讓DS18820把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上，DS18820在完成一個讀時序過程，至少需要60μs才能完成。DS18820的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。DS18820寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60μs，保證DS18820能夠在15～45μs之間能夠正確地采樣I／O總線上的“0”電平；當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15μs之內(nèi)就得釋放單總線。

5 系統(tǒng)連接圖
    系統(tǒng)連接圖如圖2所示。

    DS18820與單片機的連接在硬件上有兩種方法，一種是Vcc接外部電源，GND接地，I／O引腳與單片機的I／O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時Vcc，GND接地，I／O接單片機I／O引腳。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，當傳感器DS18820處于寫存儲器操作和溫度A／D轉換操作時，總線上必須有較強的上拉，上拉開啟時間最大為10μs，這樣處理可以有效地降低功耗。

6 結 語
    綜上，在現(xiàn)代溫控系統(tǒng)中，采用無線通信的ZigBee技術，可以很方便地建立網(wǎng)絡，選用ZigBee支持的Mesh網(wǎng)絡，可以最大程度地增加網(wǎng)絡的抗毀性，而采用芯片接力傳遞的方式，可以最大程度地擴展網(wǎng)絡的覆蓋范圍。采用DS18820芯片也可以很好地采集溫度數(shù)據(jù)，完成采集和傳輸任務。對ZigBee芯片寫入不同的控制程序可以控制加熱器的時間和持續(xù)長度。