基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的溫度測量

摘要：ZigBee是一種短距離的雙向無線通信技術，技術特點可以概括為4低：低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率及低成本。它主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。為了避免溫度監(jiān)控節(jié)點與數(shù)據(jù)集中器之間系統(tǒng)安裝過程中煩瑣的布線工作，采用ZigBee技術進行數(shù)據(jù)傳輸。在此對ZigBee技術進行分析和對CC2430芯片進行研究，并介紹了系統(tǒng)構成和組成原理，做了溫度測量的實驗，溫度監(jiān)測結果以數(shù)據(jù)、曲線等方式在數(shù)據(jù)集中器人機界面上顯示。實踐結果表明，該設計達到了預期目標。
關鍵詞：ZigBee；無線通信；溫度測量；人機界面

0 引言
    在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，進行環(huán)境溫度檢測是必不可少的內(nèi)容。目前，很多場合的多點分布式溫度測量系統(tǒng)大多還是采用有線傳輸方式，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。本文設計了一種基于ZigBee技術的數(shù)據(jù)傳輸，以RF(射頻)芯片CC2430為核心，能夠高效地完成對環(huán)境溫度的無線檢測，可以有效解決復雜布線帶來的不便。

1 ZigBee原理
1．1 網(wǎng)絡拓撲
    基于IEEE 802．15．4標準的ZigBee無線網(wǎng)絡技術，工作于3個頻段(868 MHz，915 MHz，2．4 GHz)，數(shù)據(jù)率最高可達250Kb／s。網(wǎng)絡拓撲可分為圖1所示的星形拓撲、簇狀拓撲和網(wǎng)狀拓撲。其中，簇狀拓撲和網(wǎng)狀拓撲均有一個主控節(jié)點和若干個路由節(jié)點以及終端節(jié)點，可以實現(xiàn)多跳數(shù)據(jù)通信，因而覆蓋范圍加大，路由也可因地制宜做動態(tài)調(diào)整。所以將ZigBee傳感器網(wǎng)絡應用于測溫系統(tǒng)，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性和適用范圍，彌補了有線測溫系統(tǒng)的不足。

1．2 無線信道組成
    表1為ZigBee無線信道的組成。2．4 GHz波段為全球統(tǒng)一的ISM頻段，免費開放，有助于ZigBee設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低；物理層通過采用16相高階調(diào)制技術，提供250 Kb／s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。868 MHz是歐洲附加的ISM頻段，915MHz是美國附加的ISM頻段，這兩個頻段上的ZigBee設備避開了來自2．4GHz頻段中其他無線通信設備和家用電器的無線電干擾。這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小，可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋較多的區(qū)域。為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，ZigBee采用了時隙化的載波偵聽和沖突避免的信道接口CAMA-CA(Carrier Sense Multipie Access with Collision Avoidanee)算法。

1．3 ZigBee消息方式
    ZigBee通信消息幀有“KVP”和“Message”兩種方式，其中“Message”方式的幀格式可以由用戶自己定義，操作方式比較靈活，在此，選擇了“Message”方式，其幀格式定義如下：
    OTAFrome{Uintl6 StanWord；
    Byte Length；
    Byte Cmd；
    Byte 3Data；
    Byte Endbyte；}；
    可以通過定義的OTAFrame In和OTAFrame Out來接收和發(fā)送消息幀，實現(xiàn)無線接口。

2 系統(tǒng)組成與工作原理
    如圖2所示，單片機MSP430F149從溫度傳感器中得到溫度數(shù)據(jù)，通過RS 232串口將數(shù)據(jù)傳送給ZigBee RFD模塊，模塊轉(zhuǎn)化為ZigBee通信協(xié)議包，再傳給ZigBee FFD模塊。ZigBee RFD模塊以多跳通信的方式把數(shù)據(jù)包傳給ZigBee協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)包后，一方面按原路返回收到數(shù)據(jù)的確認信息，最終到達發(fā)送數(shù)據(jù)的ZigBee RFD模塊，實現(xiàn)握手通信，完成一次完整的ZigBee通信。如果沒有收到協(xié)調(diào)器返回的握手信息，則ZigBee RFD模塊繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到收到協(xié)調(diào)器返回的握手信息。另一方面，協(xié)調(diào)器把收到的溫度數(shù)據(jù)傳給近距離的PC機，或通過現(xiàn)有的其他網(wǎng)絡(如GPRs，cDMA，Intemet等)將溫度數(shù)據(jù)傳送給遠距離的PC機。

2．1 控制模塊
    控制模塊以MSP430單片機為核心，是超低功耗微控制器，基于真正的16位RISC CPU內(nèi)核，16位總線結構，每個外圍器件都支持復雜的事件驅(qū)動型操作。同其他微控制器相比，帶片內(nèi)FLASH的微控制器可以將系統(tǒng)功耗降低至原功耗的1／5，并且減小了硬件線路板空間。
2．2 無線收發(fā)模塊
    主芯片采用TI-Chipcon公司推出的CC2420射頻芯片，符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標準，適用于ZigBee產(chǎn)品。該芯片只需極少外圍元件，性能穩(wěn)定且功耗極低。具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16MHz晶振等非常少的外圍電路就能在2．4 GHz頻段上工作，可確保短距離通信的有效性和可靠性。支持的數(shù)據(jù)傳輸率高達250 Kb／s，可實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。它的MAC層和物理層協(xié)議都符合IEEE802．  15．4規(guī)范，工作于許可的ISM頻段。
2．3 路由協(xié)議
    為了保證數(shù)據(jù)的可靠，傳輸采用多路徑路由協(xié)議(MSR)，該協(xié)議是動態(tài)源路由DSR的擴展。DSR使用的是由發(fā)送端確定的路由，而不是由各個節(jié)點決定下一跳的路由。這樣做的好處是中間節(jié)點無需保存路由信息。DSR是基于響應的，不需要周期地發(fā)送任何消息。DSR協(xié)議包括路由發(fā)現(xiàn)和路由保持機制兩部分。
    MSR保留了DSR的路由發(fā)現(xiàn)機制，所不同的是得到的為多個路徑。每個被發(fā)現(xiàn)的路由保存在用惟一指標標志的路由緩存中，以備使用。因MSR使用源路由、源節(jié)點負責平衡負載，鄰接節(jié)點只做轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)是根據(jù)包頭指明的路徑。

3 實驗分析
    實驗在兩層樓的若干個房間中布置一套基于ZigBee技術的無線溫度采集系統(tǒng)實驗裝置，其網(wǎng)絡結構如圖3所示。每個房間都放置1個Zig Bee模塊，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點是必需的。在其他地方，根據(jù)是否需要路由功能，可以放置路由器或者終端節(jié)點。需要給其他節(jié)點路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報的節(jié)點配置為路由器節(jié)點，其他節(jié)點則都配置為終端節(jié)點。這樣所有的節(jié)點組成1個ZigBee網(wǎng)絡，每層樓一個協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)最終傳送到PC監(jiān)控主機，對每個房間實時監(jiān)控，并對超出溫度范圍的點報警。系統(tǒng)可靠性高，設計成本低廉，響應速度快，在不斷發(fā)展的短距離無線通信技術中發(fā)揮極大的潛力。

4 結語
    基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術的測溫系統(tǒng)克服了有線傳感器測溫系統(tǒng)的不足，能夠支持多達128個傳感器節(jié)點，由于采用了多跳無線通信技術，系統(tǒng)的覆蓋范圍顯著提高。該系統(tǒng)在典型應用情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)不問斷數(shù)據(jù)采集。測溫系統(tǒng)中的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡作為信息交換和處理的通用平臺，若配以不同類型的傳感器可構成相應的測量系統(tǒng)，具有高度可擴展性。相信將來會有越來越多內(nèi)置ZigBee功能的裝置進入人們的生活，實現(xiàn)無所不在的物聯(lián)網(wǎng)生活。