基于ＺｉｇＢｅｅ技術的公共場所無線溫度采集系統

摘 要：討論基于 ZigBee 無線網絡技術的溫度采集系統的實現方案。系統的實現基于ZigBee解決方案Chipcon公司的無線射頻芯片CC2420加Microchip公司的PIC18F4620微處理器，以及DALLAS公司生產的單線數字溫度傳感器DS18B20。詳細討論硬件設計和軟件設計。系統有效地實現了對公共場所空調溫度的采集和監督，并且成本低廉，終端節點功耗低，達到了節能減排的目的。

關鍵詞：溫度采集系統;無線網絡;ZigBee;CC2420;PIC18F4620;DS18B20

中圖分類號：TP274文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)22-142-03

Wireless Public Temperature Collecting System Based on ZigBee Technology

CHEN Lei，ZENG Liansun

(Shanghai Maritime University，Shanghai，200135，China)

Abstract：A design of wireless temperature collecting system is discussed based on ZigBee wireless technology.AdoptingZigBee solution Chipcon CC2420 RF transceiver，Microchip PIC18F4620 microcontroller and DALLAS digital temperature sensor DS18B20 to realize this system.The hardware design and software design are discussed in detail.The system has an effective temperature collection with low-cost，low power consumption of end device nodes，thus the energy-saving and emission reduction are realized.

Keywords：temperature collecting system;wireless network;ZigBee;CC2420;PIC18F4620;DS18B20

多年以來，我國公共建筑的空調管理比較粗放，空調溫度設置不盡合理，導致能效不高，造成能源資源浪費，與建設資源節約型、環境友好型社會的目標不相適應。為深入貫徹科學發展觀，進一步落實《國務院關于加強節能工作的決定》（國發［2006］28號）精神，國務院要求嚴格執行公共建筑空調溫度控制標準，而這就需要一套溫度采集系統來對此進行監督和管理。由于基于有線的溫度采集系統，具有布線麻煩、系統可擴展性差、系統安裝和維護成本高以及移動性能差等缺點，因此無線通信技術，是實現溫度采集系統的理想選擇。無線溫度采集系統自身的要求和ZigBee技術具有的特點，決定了ZigBee是實現無線溫度采集系統的最佳解決方案。

1 ZigBee無線通信技術及特點

ZigBee 是一種在無線個人網絡領域中新興的無線網絡技術。電子與電氣工程師協會IEEE于2000年底成立了 802.15.4 工作組，規定了 ZigBee的物理層和媒體接入控制層。2001年8月成立了ZigBee 聯盟，負責 ZigBee 規范的制定和應用推廣工作，2004年12月推出ZigBee規范的正式版本ZigBee Specification V1.0。目前，世界各大半導體巨頭TI，FreeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee標準的芯片及協議棧。其中，本文的公共場所溫度采集系統采用的是CC2420射頻收發器加PIC微處理器這個方案。

無線溫度采集系統的協調器與溫度傳感器節點之間只需傳輸溫度數據信號，且數據發送頻率不高，而 ZigBee 的最大傳輸速率可以達到250 kb/s，這對于實現無線溫度采集系統來說已經足夠了；無線溫度采集系統的各個傳感器節點往往需要組成一個星型網、簇狀網或者網狀網，節點數量在幾十到幾百個之間，ZigBee 對以上拓撲結構都做了很好的支持，且網絡最大節點數可達 65 535，很好地滿足了系統對網絡結構及容量的要求，而這是藍牙和紅外技術所無法滿足的；溫度采集系統需要所有房間和樓層間的通信，這就需要系統具有穿墻的信號傳遞功能和網絡功能，ZigBee 工作在2.4 GHz的ISM頻段，節點之間的最大通信距離可達100 m，信號具有一定的穿墻能力，并且 ZigBee 支持路由節點，只要合理布局，可以保證建筑物內沒有無線通信的盲區；溫度采集系統的構建目的也就是為了節能減排，因此對成本非常敏感，ZigBee 是一種低速率、低成本的無線通信技術，相比于Wi-Fi 和 UWB 等這些適用于無線局域網和多媒體應用的高速率無線標準而言，成本非常低廉。本文提出的公共場所空調溫度采集系統就是基于ZigBee這一新興的無線通信技術的。

2 ZigBee無線溫度采集系統結構組成及工作原理

一般的公共場所諸如辦公大樓、娛樂場所、賓館等地方空調房間很多，需要溫度采集的點比較多分布也比較廣，用無線方式來采集是最佳的選擇，本系統采用基于ZigBee無線通信技術及DS18B20數字溫度傳感器來實現溫度的采集。

ZigBee無線溫度采集系統主要由ZigBee終端、ZigBee路由、ZigBee網絡協調器、GPRS終端和溫度監控中心組成。系統結構圖如圖 1所示。

ZigBee溫度采集終端通過溫度傳感器DS18B20采集到溫度數據后，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出傳送給單片機；在單片機處理信息后，利用串口SPI將信息通過CC2420射頻芯片傳送給協調器；網絡采用星型或MESH網狀網絡拓撲和需求時喚醒ZigBee模塊的通信方式，有效降低了每個ZigBee傳感器節點的功耗，減少了傳感器節點向協調器上報數據時相互碰撞的概率。由于ZigBee設備發送數據的距離是有一定限制的，所以如果采用加中繼器的方法將數據發到遠在數公里之外的溫度監控中心，成本較高。因此，協調器和監控中心之間就采用目前比較成熟的GPRS技術。在協調器將數據采集后，將數據統一通過GPRS設備發送到溫度監控中心。

3 ZigBee溫度采集終端的硬件設計

ZigBee溫度采集終端主要由控制器模塊、射頻收發器模塊、溫度采集模塊3部分組成，其硬件系統結構如圖2所示。

本溫度采集終端微控制器采用的是Microchip公司的18系列高檔單片機PIC18LF4620，PIC18系列是高性能、CMOS、集成了模/數（A/D）轉換器的全靜態MCU系列。PIC18 MCU采用先進的RISC架構，支持FLASH和OTP器件，其突出的特點是強調低功耗，非常適用于各種低功耗要求的應用。

在射頻收發器上，本設計選用Chipcon公司的CC2420射頻收發器，CC2420是Chipcon公司推出的一款符合IEEE802.15.4規范的2.4 GHz射頻芯片，已經被用來開發工業無線傳感及家庭組網等PAN網絡的ZigBee設備和產品。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術，以CBIOS工藝制成只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。

系統終端的溫度采集模塊采用由美國DALLAS半導體公司生產的DS18B20單線數字溫度傳感器，它具有3引腳TO-92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55～＋125 ℃，可編程為9～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.062 5 ℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出； DS18B20的CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。

4 ZigBee無線溫度采集系統的軟件設計

軟件設計采用Microchip的MPLAB-IDE v7.30軟件平臺及MPLAB-ICD2在線調試仿真器。MPLAB-ICD2在線調試仿真器通信接口方式USB接口方式，工作速度極快。它針對Microchip公司生產的采用FLASH工藝的微控制器芯片的程序區可重復多次讀寫功能，直接使用目標芯片實現仿真調試功能，同時可以作為在線燒寫工具，使用最新的MPLAB v7.50軟件目前幾乎支持所有的FLASH系列的仿真及對非FLASH芯片的燒寫。在采集溫度時，待傳感器復位后，接收應答信號，跳讀ROM中序列號，找到序列號后，進行溫度轉換（采樣、保持和A/D轉換，把模擬量轉換為數字量）等待2μs后，溫度轉換完畢，保存數據，并找出最高溫度TH和最低溫度TL，如此反復，完成所有在線DS18B20溫度轉換與寫操作，程序流程示意圖如圖3所示。

對DS18B20處理順序為：第一步：初始化；第二步：發送ROM命令；第三步：發送功能命令。初始化包括主機發出復位脈沖（通過將總線拉低至少480 μs來實現），隨即主機等待DS18B20發回的存在脈沖。DS18B20則從檢測到復位脈沖的上升沿開始等待15~16 μs后通過將單線總線拉低60~240 μs實現存在脈沖的發送。初始化完成后即可發送ROM命令，包括搜索ROM命令（FOH）、讀ROM命令（33H）、符合ROM命令（ECH）。隨后即可發送功能命令，包括溫度變換命令（44H）、寫暫存器命令（BEH）等。命令的傳送通過寫時序實現，而主機讀取DS18B20傳送的數據通過讀時序實現。

5 ZigBee無線溫度采集系統的實驗結果

在兩層樓的若干個房間中布置一套基于ZigBee 技術實現的無線溫度采集系統的實驗網絡，其網絡結構如圖 4所示。在每個房間內都設置1個ZigBee 模塊，其中協調器節點是必需的。在其他地方，根據是否需要路由功能，可以配置為路由器或者終端節點。因為協調器節點和路由器節點具有路由功能，協議棧容量較大，所需的FLASH空間較大，芯片的成本也較高，因此只把需要給其他節點路由轉發數據報的節點配置為路由器節點，其他節點則都配置為終端節點，以降低成本。室內所有的節點組成1個ZigBee網絡，每層樓一個協調器，數據最終傳送到PC監控主機，對超出溫度范圍的點進行報警。系統設計成本低廉、可靠性高、響應速度快，是不斷發展的電子信息技術在溫度監采集領域中的應用。

6 結 語

實踐表明，科學管理空調的運行，既能提供比較健康、舒適的室內環境，又能節約能源，保護生態環境，是一件利國利民的好事。本文針對國務院要求嚴格執行公共場所空調溫度控制標準的要求以及大樓內的結構特點，提出了一種基于ZigBee技術的無線溫度采集系統，有效地監督了空調的科學使用，達到節約能源資源，保護環境的目的。系統實現成本低廉、安裝方便、終端節點功耗低、工作穩定、具有很強的推廣價值。

參考文獻

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作者簡介 陳 蕾 女，1983年出生，上海海事大學碩士研究生。主要研究方向為移動通信和無線接入技術 。

曾連蓀 男，1962年出生，教授。主要從事無線接入技術和定位導航技術的研究。