基于無線傳感器網絡的溫度采集與傳輸

焦鵬鵬，張 斌，楊 梓

（河北大學 河北 保定 071000）

自20世紀90年代開始，無線傳感器網絡技術已經逐漸進入了我們的生活和工作中，使我們擺脫了電線的束縛，從而能夠在移動中自由地實現信息的交流。無線傳感器網絡作為一種新興的通信技術，已經成為國內外研究的熱點，在工業、農業、軍事等領域已經呈現出廣闊的應用前景。本文通過對IEEE802.15.4/Zigbee協議棧的研究基礎上，研制出基于ZigBee技術的無線傳感器網絡節點。這使得節點的分布更加靈活，徹底解決了繁瑣的布線麻煩。溫度采集節點使用PIC16F628A對DS18B20和UZ2400控制，來完成溫度的采集和無線傳輸，并將各個節點組成星型網絡，實時地將數據傳輸到上位機上以供檢測。

1 ZigBee技術

1.1 ZigBee的特點

ZigBee技術具有低功耗、低成本、低速率、時延短和高安全性等特點。其在休眠狀態下耗電量僅僅只有1μW，通信距離短的情況下工作狀態的耗電為30 mW。而ZigBee的耗電符合傳感器節點在危險的區域持續工作數年而不更換供電單元得需求。本系統使用的2.4 GHz波段為全球統一的無需申請的ISM頻段，2.4 GHz的物理層采用擴頻調制解調技術提供250 kb/s的傳輸速率[1]。ZigBee網絡設備主要包括網絡協調器、全功能設備和精簡功能設備。網絡協調器包含所有的網絡信息，是3種設備中最復雜的一種，存儲容量最大，計算能力最強，主要負責發送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信息、尋找一對節點間的路由消息以及不斷地接收信息；全功能設備（FFD）可以擔任網絡協調者，構建網絡，讓其他的 FFD或是精簡功能裝置連接；精簡功能設備（RFD）只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。節點類型有3種：協調節點、路由節點和終端節點。協調節點與路由節點只能是FFD，終端節點可以是FFD或者 RFD。ZigBee網絡根據應用的需要可以組織成星型網絡、網狀網絡和簇狀網絡3種拓撲結構，如圖1所示。

1.2 ZigBee網絡體系結構

從ISO的OSI模型上來看，ZigBee網絡可分為4層，從下到上依次是物理層、媒體訪問層（MAC層）、網絡層（NWK）和應用層（APL）[2]，如圖2所示。ZigBee網絡的最低2層是物理層和MAC層，它們使用的是IEEE802.15.4標準，而網絡層和應用層則由ZigBee聯盟制定。ZigBee協議的應用層包括應用支持子層、設備對象和應用對象。它的每一層都要向上一層提供數據和管理服務。

圖1 拓撲結構圖Fig.1 Topology diagram

物理層是由半雙工的無線收發器及其接口組成，它可以直接利用無線信道來傳輸數據。媒體訪問控制子層旨在提供節點自身和與其相鄰的其他節點之間進行可靠的數據傳輸鏈路。網絡層則利用MAC層可靠的數據通信，提供路由、多跳轉發的能力，來實現和維護星型、樹簇型和網格型網絡。對于一個簡單的網絡節點而言，它的功能就是加入或離開一個網絡。而路由器則需要完成信息的轉發，發現周邊的鄰居，為其他節點構造路由等大量的任務。協調器的任務包括啟動網絡，為新加入節點分配網絡地址等。應用支持子層的任務則是將網絡信息轉發到不同端點，包括維護綁定表，在被綁定的設備之間傳遞信息，之后綁定表將設備按它們能夠提供的服務種類和需要的服務匹配起來。設備對象的作用是指設備上的所有管理工作，包括定義設備在網絡中的作用，發現網絡中的其他設備，確定這些設備自身所能夠提供的功能，并初始化獲響應綁定請求，在網絡中的設備之間建立安全的聯系等。應用對象是運行在端點上的一種應用軟件，實現節點上具體的應用功能，如圖2所示。

圖2 ZigBee網絡體系Fig.2 ZigBee network system

系統中ZigBee設備是通過ZigBee模板來定義，并且以應用對象的形式來實現的。它的模板定義了設備的應用環境、設備類型以及設備之間通信的“簇”。每個應用對象都必須通過自身的端點連接到ZigBee堆棧，因此它們都是可尋址的設備的組件。從應用角度上來看，通信的本質就是端點到端點的信息交互。端點之間的通信是通過的數據“簇”來實現的。“簇”就是應用對象之間共享信息所需的全部屬性的容器。

1.3 ZigBee與IEEE 802.15.4的區別

ZigBee建立在IEEE 802.15.4的標準之上，它確定了協議可以在不同的制造商之間共享[3]。IEEE 802.15.4是IEEE確定的低速率無線個域網（Personal Area Network）標準，這個標準只對物理層和MAC層兩部分進行了定義。簡單的說物理層就是確定了傳輸波段，MAC層則定義了如何共享信道以及如何進行組網的拓撲結構。但是只定義物理層和MAC層是并不足以保證設備之間可以進行“對話”。ZigBee聯盟旨在從IEEE 802.15.4標準開始著手，對其網絡層協議和API函數進行標準化。完整的協議用于一次可直接連到一個設備的基本節點的4KB或者作為Hub或路由器、協調器的32KB。每個協調器最多可連接255個節點，幾個協調器還可以形成一個傳輸網絡，而且路由的傳輸數目沒有限制。ZigBee聯盟還開發了安全層，以保證這種便攜傳輸設備不會意外泄漏它的標識信息，而且這種利用網絡的無線距離傳輸也不會被其他節點截獲。

2 電路原理及設計

無線傳感器網絡節點是一個微型嵌入式系統。傳感器節點的設計機理是以ZigBee傳輸模塊代替傳統的串行通信模塊，將采集到的信息數據以無線方式發送出去。該節點包含ZigBee無線傳輸模塊、微控制器模塊、傳感器模塊及接口電路、直流電源模塊以及外部存儲器等[5]。發送節點和接受節點統一采用UBEC公司推出的高度整合的SoC芯片UZ2400無線射頻芯片實現傳感器節點的數據傳輸和處理功能。而控制芯片則采用兩種不同單片機進行控制。

2.1 系統總架構

整個硬件系統分發射和接受兩套硬件系統。發射系統由PIC16F628A單片機控制溫度傳感器DS18B20采集溫度，然后制定通信協議通過UZ2400芯片將溫度數據進行無線傳輸[6]。接收系統由新華龍公司生產的C8051F020單片機控制UZ2400匹配通信協議后對溫度數據進行無線接收，然后將數據通過串口接到上位機用以顯示各節點采集的數據，如圖3所示。

圖3 系統示意圖Fig.3 System diagram

2.2 發射系統

發射節點選用PIC16F628A單片機控制溫度傳感器DS18B20來采集溫度，電路如圖4所示。

DS18B20只需一個接口引腳就可以與單片機進行通信。每一個DS18B20都有一個唯一的64位ROM序列碼；在使用中不需要任何外圍元件；可用數據線供電，電壓范圍：+3.0～+5.5 V；測溫范圍：-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內精度為±0.5℃，分辨率0.062 5℃；通過編程后可實現9～12位的數字讀取。

圖4 溫度采集電路Fig.4 Temperature acquisition circuit

無線射頻芯片UZ2400是UBEC公司推出的用來實現嵌入式ZigBee應用的片上系統，集成了線性功率放大器UP2202，以及一個寬帶低噪聲放大器UA2723。UZ2400屬于串行總線控制設備（SPI總線控制），內置了無線射頻收發器工作在802.15.4標準的基帶濾波和MAC層的功能模塊。主要由發射/接收FIFOs，CSMA-CA控制器，超幀架構，接收幀過濾器，安全引擎和數字信號處理模塊等。在保證通信質量的同時，能夠自由的選擇傳輸格式，如圖5所示。

圖5 UZ2400內部模塊Fig.5 UZ2400 internal modules

為保證在高壓場合下能夠正確的進行傳輸，廠家對每個射頻模塊出廠使用前都進行了天線性能指標測驗。運用高頻檢測儀檢測功率放大器所產生的高頻信號性能指標，如圖6所示。

圖6 UZ2400性能指標Fig.6 UZ2400 performance indicators

UZ2400地址讀寫部分代碼：

2.3 接收系統

接收系統的硬件架構較發射系統相對簡單些。采用新華龍公司出產的C8051F020做主控芯片，通過控制無線射頻芯片UZ2400接受每個發射節點發送的溫度值，并通過串行通信接口（RS232接口）與上位機相連，將溫度數據實時的顯示在PC機界面上。接受系統作為與上位機連接的唯一主節點，因此可出于一直供電狀態，選用支持C8051F020單片機正常工作的5 V電壓源進行供電。但是無線射頻芯片UZ2400的工作電壓為3.3 V，所以在接收系統的電源模塊中，安裝電壓轉換模塊LM1117將5 V轉到3.3 V電壓進行供電，如圖7所示。

圖7 接收系統電路圖Fig.7 Receiving system schematic

接收系統主程序：

3 結 論

文中通過對基于ZigBee技術無線傳感器網絡的研究，開發了一種適用性更強的無線測溫系統的無線傳感器網絡節點。文章首先從無線傳感器網絡這一概念入手，對無線傳感器網絡的產生和發展現狀進行了介紹。文章緊接著對無線傳感器網絡的體系結構，傳感器節點的結構以及傳感器網絡協議棧進行了介紹。重點介紹了基于ZigBee技術無線傳感器網絡節點的設計過程，整個網絡體系由若干個發射節點和一個接受主節點組成。發射節點采用單片PIC16F628A控制溫度傳感器DS18B20采集溫度，通過無線射頻芯片UZ2400進行數據傳輸，接受主節點采用單片機C8051F020控制UZ2400進行數據接受，并通過串口RS232將數據顯示到上位機上。通過對協議棧的匹配，成功搭建了基于ZigBee技術的的無線傳感器的星型網絡。

[1]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2]呂治安.ZigBee網絡原理與應用開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[3]夏俐，陳曦，趙千川.無線傳感器網絡及應用簡介[J].自動化博覽，2004（1）:34-37.XIA Li，CHEN Xi，ZHAO Qian-chuan.Wireless sensor networks and applications introduction[J].Automation expo，2004（1）:34-37.

[4]賀文.基于IEEE802.15.4/ZigBee的無線傳感器網絡研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[5]許靈軍.基于ZigBee通用無線傳感器網絡硬件平臺的設計[J].集成電路應用，2008（4）:16.XU Ling-jun.The design hardware platform of universal wireless sensor network base on ZigBee[J].IC Applications，2008（4）：16.

[6]李學海.PIC單片機實用教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.