基于ZigBee的無線農田溫度采集監測系統設計

徐 磊，李 濱

(東北林業大學機電工程學院，哈爾濱 150040)

21世紀的農業是新型農業，精準農業是世界農業發展的新潮流，今后農業的可持續發展必須要以這樣的先進技術作為基礎。由放置在試驗范圍內的低成本微型傳感器節點組成，采用無線通信方式形成的無線傳感器網絡 (Wireless Sensor Network，WSN)技術就是其中的一種，這種網絡具有自組織的多跳的結構，系統采用這種技術對指定區域中的對象的信息同時進行采集和處理，并最終傳送給客戶端［1－2］。

ZigBee技術是一種以IEEE802.15.4標準為基礎的低功耗無線網絡技術。本文選用了其內部集成了8051單片機，而且具有線路簡單，使用方便，并且適用于ZigBee技術等特點的CC2430芯片來搭建無線傳感器網絡。

本文設計了一種適用于ZigBee技術的無線溫度采集監測系統，系統選用DS18B20對溫度進行采集，然后通過由CC2430和ATMEGA16位單片機組成的模塊進行傳輸，并通過串口通信RS232傳送給數據處理與監測終端進行相關的處理和監測，進而使用戶可以實時地在互聯網的任意位置對溫度進行監控［3］。

1 系統架構

ZigBee是一種低成本、速率低、功耗低、距離短的無線傳感器網絡技術，其工作頻段為2.4GHz，是以IEEE 802.15.4技術物理層和數據鏈路層的標準為基礎，并對其進行完善和補充之后而制定的［4］。ZigBee技術是一種短距離無線通信技術，在環境監測、智能化控制及無線控制等各技術范疇有很廣泛的應用。隨著網絡技術的發展，它在很多領域逐步取代了有線技術。因為它不僅支持靜態固定拓撲的無線網絡技術，而且也支持動態變化拓撲的無線網絡。ZigBee技術在計算機網絡中的應用成功地填補了低成本、低速率和低功耗無線通信市場的技術空白，它可以進行靈活的軟硬件開發，也有高效的組網方法［5］。

本文所設計的以ZigBee技術為基礎的無線傳感器網絡系統的理論依據是其各節點的硬件與軟件設計原理，其中終端溫度采集節點的實現是選用了CC2430芯片作為核心部件來進行搭建的，同時，此系統是一個低功耗溫度采集及傳輸系統，并通過與掌上智能PDA及上位機進行連接，從而實現了一個實時的溫度采集與監控系統［6－8］。

圖1 系統結構Fig.1 System structure

2 節點硬件設計

節點硬件包括數據采集節點和網絡協調器節點兩部分。數據采集節點用來對溫度進行采集，包括溫度傳感器、無線傳輸、數據處理等模塊。溫度數據通過無線網絡被傳送至網絡協調器節點，此節點由數據處理和無線通信模塊組成，負責接收和控制各終端節點的溫度信息。終端節點和網絡協調器硬件結構如圖2和圖3所示。

2.1 終端節點模塊

該模塊選用溫度傳感器 DS18B20進行溫度采集，此傳感器具有寫入或讀出數據只需一根端口線、模擬信號 (溫度)直接轉化成串行數字信號、數據處理模塊可直接接收數據進行處理等優點。另外測量范圍可達到－55～125℃、可編程A/D轉換精度為9～12位，相應的可辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.062 5℃。在性能上其具有體積小、功率低、高精度、抗干擾能力強、響應時間短等優點，非常適合溫度檢測［7］。表1為DS18B20所測數據以擴展的16bit二進制補碼形式進行轉換后在寄存器中的存儲格式。S值為1和0分別代表溫度為負和正，其余的位數是數據位，位數越多分辨率越高。

圖2 終端節點硬件結構Fig.2 The hardware structure of terminal node

圖3 網絡協調器硬件結構Fig.3 The hardware structure of network coordinator

表1 DS18B20寄存器格式Tab.1 The format of DS18B20 register

以分辨率為0.0625℃為例DS18B20的溫度計算公式如下 (其中MSB為溫度的高位，LSB為溫度的低位)。

公式 (1)表示溫度值為正時的溫度計算公式，將測到的數值乘以0.062 5，即可得到實際溫度;公式 (2)為溫度值為負時的計算公式，測得的數值需要先變成二進制補碼，然后將其乘以0.062 5便得到實際溫度。兩個等式中中括號內的數值均為二進制，在計算完成后需要把結果轉化為十進制。

DS18B20通過以上轉換公式以及其內部的轉換電路將模擬量轉換為數字量，通過溫度顯示模塊直接以數字形式顯示溫度。從而實現了模擬信號到數字信號的轉換。

2.2 ZigBee無線通信模塊

模塊選用CHIPCON公司的CC2430芯片。它延用了原始CC2420芯片的架構，在單個芯片上集成了 ZigBee射頻前端、內存和微型控制器，CC2430擁有 1個 8位 8051MCU，8KB的 RAM，32KB、64KB或128KB的Flash，還包括模數轉換器、32kHz晶振的休眠狀態定時器、上電復位電路、掉電檢測電路、AES128協同處理器件以及21個可編程的I/O引腳。可工作在2.4GHz頻段，很大程度地節約了成本，在接收或發射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA，在待機模式時的損耗電流值低于0.6μA，在休眠模式時的損耗電流值只有0.9μA，在一些要求電池壽命比較長的場合的應用很廣泛。

3 節點軟件設計

3.1 溫度采集的實現

本設計采用DS18B20作為溫度采集的傳感器，DS18B20采用的是單總線協議。在實際的軟件設計中，由控制器發出一個脈沖信號對總線上所有的DS18B20傳感器進行復位操作，使其處于復位待命狀態，然后向序列號相匹配的傳感器發送相應的ROM指令，使這些傳感器被激活，做好接受RAM訪問指令的準備。其中RAM訪問指令是用來控制被選中的傳感器的工作狀態，并且轉化和讀取傳感器數據。總結對DS18B20軟件操作過程如下:首先由單片機對溫度傳感器序列號進行搜索并啟動溫度傳感器進行溫度轉換、讀取溫度值。由于在本設計中采用51單片機作為中心處理器，所以訪問DS18B20傳感器是需要使用軟件來模擬單總線協議時序的方法。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 DS18B20工作流程圖Fig.4 The work flow chart of DS18B20

3.2 無線網絡配置的設計

網絡配置是溫度采集系統的重要過程，網絡配置的質量關乎數據傳輸的質量，所以此過程非常重要。從網絡配置指標的各種因素考慮選取Chipcon公司設計的開發工具進行配置。配置的具體過程如下:首先由網絡協調器利用NLME網絡形成需求原語來搭建一個新的網絡:網絡協調器進行上電操作后，首先對協議棧進行初始化，然后通過網絡層向MAC層發送MLME掃描需求原語，檢測和掃描MAC層每個候選信道的峰值能量，掃描結果通過確認原語返回。協調器根據掃描結果選擇合適的信道，然后建立一個自己的網絡并選擇一個唯一的標識符。如果PAN標識符被選定，就說明已經建立網絡，此時網絡層管理實體發出MLME啟動需求原語到MAC層開始運行新的網絡，此后可以允許節點的ZigBee設備接入網絡，接收它們傳輸的溫度值，并將其傳送給PC機進行處理。

溫度采集節點上電處理之后，應用層發送包括掃描時間、需要掃描的信道兩個參數的原語到網絡層，網絡層收到后發送MLME掃描需求原語到MAC層，MAC層掃描有效長度大于零的信標并發送MLME_BEACON_NO－TYFY指示原語到網絡層，網絡層接收后發送NLME網絡發現確認原語到應用層。應用層接收后即得到了當前附近網絡的情況并且選擇加入一個網絡，然后發送NLME加入請求原語，并對想要加入的網絡的PAN標識符參數進行設置。接著網絡層發送原語到MAC層進行網絡連接，如果連接成功，網絡層將收到MLME關聯確認原語進行確認，并添加新連接的設備到鄰接表中。接著網絡層發送MLME加入確認原語到應用層，子設備成功加入網絡。此過程結束后表明溫度采集節點順利加入網絡，它便通過協調器發送的信標與網絡實現同步，開始周期性地采集溫度值，并將測量結果傳送給網絡協調器。以上為網絡配置和成功實現數據傳輸的全過程。協調器和溫度節點軟件流程圖如圖5所示［10］。

4 結論

該無線溫度采集監測系統選用低成本、低功耗的CC2430芯片作為數據處理工具，通過具有單總線結構、功耗低、結構緊湊、體積小、檢驗精度高、工作穩定等特點的數字溫度傳感器DS18B20對溫度進行采集。初步實驗證明采用CC2430芯片和基本協議共同組成的星型網絡拓撲結構不僅具備較好的系統穩定性和網絡強壯性。同時ZigBee技術作為一種投入小、低能耗、低速率、結構簡單、近距離的無線通信技術，完全可以應用在復雜環境下的智能檢測領域和遠程控制領域。

圖5 協調器工作流程圖和溫度節點工作流程圖Fig.5 The work flow chart of coordinator and temperature nodes

【參 考 文 獻】

［1］孫利民，李建中．無線傳感器網絡［M］．北京:清華大學出版社，2005．

［2］張 新，李文彬，曹志勇．基于無線傳感器網絡的森林火災監測系統火焰探測模塊設計［J］．森林工程，2011，27(2):52 －56．

［3］李 彬．低功耗無線測溫系統的設計［J］．山東理工大學學報(自然科學版)，2009，23(3):83 －87．

［4］高守瑋．ZigBee技術實踐教程［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2009．

［5］Wang A，Chandrakasan A．Energy-efficient DSPs for Wireless Sensor Network［J］．IEEE Signal Process Magazine，2002，19(4):68-78．

［6］李風保，李 凌．無線傳感器網絡技術綜述［J］．儀器儀表學報，2005，8(26)559 －561．

［7］陳 明，邱超凡．基于DS18B20數字溫度傳感器的設計與實現［J］．現代電子技術，2008(8):187 －189．

［8］曾 歡，劉 毅．嵌入式WiFi技術在溫室環境監測系統中的應用［J］．林業機械與木工設備，2008，36(2):49 －51．

［9］玄于玉，趙化啟，薛佳楣．基于PTR8000的無線溫濕監測系統設計［J］．林業機械與木工設備，2011，39(2):45 －46．

［10］呂治安，ZigBee網絡原理與應用開發［M］．北京:北京航天航空出版社，2008．