基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度測(cè)量

摘要：ZigBee是一種短距離的雙向無線通信技術(shù)，技術(shù)特點(diǎn)可以概括為4低：低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率及低成本。它主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。為了避免溫度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)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(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在此對(duì)ZigBee技術(shù)進(jìn)行分析和對(duì)CC2430芯片進(jìn)行研究，并介紹了系統(tǒng)構(gòu)成和組成原理，做了溫度測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果以數(shù)據(jù)、曲線等方式在數(shù)據(jù)集中器人機(jī)界面上顯示。實(shí)踐結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：ZigBee；無線通信；溫度測(cè)量；人機(jī)界面

0 引言
    在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，進(jìn)行環(huán)境溫度檢測(cè)是必不可少的內(nèi)容。目前，很多場(chǎng)合的多點(diǎn)分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)大多還是采用有線傳輸方式，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)帶來諸多不便。本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)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(duì)環(huán)境溫度的無線檢測(cè)，可以有效解決復(fù)雜布線帶來的不便。

1 ZigBee原理
1．1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br />     基于IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作于3個(gè)頻段(868 MHz，915 MHz，2．4 GHz)，數(shù)據(jù)率最高可達(dá)250Kb／s。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煞譃閳D1所示的星形拓?fù)洹⒋貭钔負(fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)洹Ｆ渲?，簇狀拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)渚幸粋€(gè)主控節(jié)點(diǎn)和若干個(gè)路由節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)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(dòng)態(tài)調(diào)整。所以將ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于測(cè)溫系統(tǒng)，極大地提高了系統(tǒng)的靈活性和適用范圍，彌補(bǔ)了有線測(cè)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(fèi)開放，有助于ZigBee設(shè)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(shù)，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(shí)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(guó)附加的ISM頻段，這兩個(gè)頻段上的ZigBee設(shè)備避開了來自2．4GHz頻段中其他無線通信設(shè)備和家用電器的無線電干擾。這兩個(gè)頻段上無線信號(hào)傳播損耗較小，可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)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(shí)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(shí)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(jī)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(rèn)信息，最終到達(dá)發(fā)送數(shù)據(jù)的ZigBee RFD模塊，實(shí)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(jī)，或通過現(xiàn)有的其他網(wǎng)絡(luò)(如GPRs，cDMA，Intemet等)將溫度數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)距離的PC機(jī)。

2．1 控制模塊
    控制模塊以MSP430單片機(jī)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(jié)構(gòu)，每個(gè)外圍器件都支持復(fù)雜的事件驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)，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(dá)250 Kb／s，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(dòng)態(tài)源路由DSR的擴(kuò)展。DSR使用的是由發(fā)送端確定的路由，而不是由各個(gè)節(jié)點(diǎn)決定下一跳的路由。這樣做的好處是中間節(jié)點(diǎn)無需保存路由信息。DSR是基于響應(yīng)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(jī)制兩部分。
    MSR保留了DSR的路由發(fā)現(xiàn)機(jī)制，所不同的是得到的為多個(gè)路徑。每個(gè)被發(fā)現(xiàn)的路由保存在用惟一指標(biāo)標(biāo)志的路由緩存中，以備使用。因MSR使用源路由、源節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)平衡負(fù)載，鄰接節(jié)點(diǎn)只做轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)是根據(jù)包頭指明的路徑。

3 實(shí)驗(yàn)分析
    實(shí)驗(yàn)在兩層樓的若干個(gè)房間中布置一套基于ZigBee技術(shù)的無線溫度采集系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。每個(gè)房間都放置1個(gè)Zig Bee模塊，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。需要給其他節(jié)點(diǎn)路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)的節(jié)點(diǎn)配置為路由器節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)則都配置為終端節(jié)點(diǎn)。這樣所有的節(jié)點(diǎn)組成1個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，每層樓一個(gè)協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)最終傳送到PC監(jiān)控主機(jī)，對(duì)每個(gè)房間實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)超出溫度范圍的點(diǎn)報(bào)警。系統(tǒng)可靠性高，設(shè)計(jì)成本低廉，響應(yīng)速度快，在不斷發(fā)展的短距離無線通信技術(shù)中發(fā)揮極大的潛力。

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