摘 要：討論基于 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。系統(tǒng)的實現(xiàn)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(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。詳細討論硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。系統(tǒng)有效地實現(xiàn)了對公共場所空調(diào)溫度的采集和監(jiān)督，并且成本低廉，終端節(jié)點功耗低，達到了節(jié)能減排的目的。

關(guān)鍵詞：溫度采集系統(tǒng);無線網(wǎng)絡(luò);ZigBee;CC2420;PIC18F4620;DS18B20

中圖分類號：TP274文獻標(biāo)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(diào)管理比較粗放，空調(diào)溫度設(shè)置不盡合理，導(dǎo)致能效不高，造成能源資源浪費，與建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的目標(biāo)不相適應(yīng)。為深入貫徹科學(xué)發(fā)展觀，進一步落實《國務(wù)院關(guān)于加強節(jié)能工作的決定》（國發(fā)［2006］28號）精神，國務(wù)院要求嚴格執(zhí)行公共建筑空調(diào)溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，而這就需要一套溫度采集系統(tǒng)來對此進行監(jiān)督和管理。由于基于有線的溫度采集系統(tǒng)，具有布線麻煩、系統(tǒng)可擴展性差、系統(tǒng)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(shù)，是實現(xiàn)溫度采集系統(tǒng)的理想選擇。無線溫度采集系統(tǒng)自身的要求和ZigBee技術(shù)具有的特點，決定了ZigBee是實現(xiàn)無線溫度采集系統(tǒng)的最佳解決方案。

1 ZigBee無線通信技術(shù)及特點

ZigBee 是一種在無線個人網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。電子與電氣工程師協(xié)會IEEE于2000年底成立了 802.15.4 工作組，規(guī)定了 ZigBee的物理層和媒體接入控制層。2001年8月成立了ZigBee 聯(lián)盟，負責(zé) ZigBee 規(guī)范的制定和應(yīng)用推廣工作，2004年12月推出ZigBee規(guī)范的正式版本ZigBee Specification V1.0。目前，世界各大半導(dǎo)體巨頭TI，F(xiàn)reeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的芯片及協(xié)議棧。其中，本文的公共場所溫度采集系統(tǒng)采用的是CC2420射頻收發(fā)器加PIC微處理器這個方案。

無線溫度采集系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器與溫度傳感器節(jié)點之間只需傳輸溫度數(shù)據(jù)信號，且數(shù)據(jù)發(fā)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(xiàn)無線溫度采集系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠了；無線溫度采集系統(tǒng)的各個傳感器節(jié)點往往需要組成一個星型網(wǎng)、簇狀網(wǎng)或者網(wǎng)狀網(wǎng)，節(jié)點數(shù)量在幾十到幾百個之間，ZigBee 對以上拓撲結(jié)構(gòu)都做了很好的支持，且網(wǎng)絡(luò)最大節(jié)點數(shù)可達 65 535，很好地滿足了系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及容量的要求，而這是藍牙和紅外技術(shù)所無法滿足的；溫度采集系統(tǒng)需要所有房間和樓層間的通信，這就需要系統(tǒng)具有穿墻的信號傳遞功能和網(wǎng)絡(luò)功能，ZigBee 工作在2.4 GHz的ISM頻段，節(jié)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(jié)點，只要合理布局，可以保證建筑物內(nèi)沒有無線通信的盲區(qū)；溫度采集系統(tǒng)的構(gòu)建目的也就是為了節(jié)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(shù)，相比于Wi-Fi 和 UWB 等這些適用于無線局域網(wǎng)和多媒體應(yīng)用的高速率無線標(biāo)準(zhǔn)而言，成本非常低廉。本文提出的公共場所空調(diào)溫度采集系統(tǒng)就是基于ZigBee這一新興的無線通信技術(shù)的。

2 ZigBee無線溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(diào)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(tǒng)采用基于ZigBee無線通信技術(shù)及DS18B20數(shù)字溫度傳感器來實現(xiàn)溫度的采集。

ZigBee無線溫度采集系統(tǒng)主要由ZigBee終端、ZigBee路由、ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、GPRS終端和溫度監(jiān)控中心組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)后，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)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(xié)調(diào)器；網(wǎng)絡(luò)采用星型或MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)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(jié)點的功耗，減少了傳感器節(jié)點向協(xié)調(diào)器上報數(shù)據(jù)時相互碰撞的概率。由于ZigBee設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)發(fā)到遠在數(shù)公里之外的溫度監(jiān)控中心，成本較高。因此，協(xié)調(diào)器和監(jiān)控中心之間就采用目前比較成熟的GPRS技術(shù)。在協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)采集后，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一通過GPRS設(shè)備發(fā)送到溫度監(jiān)控中心。

3 ZigBee溫度采集終端的硬件設(shè)計

ZigBee溫度采集終端主要由控制器模塊、射頻收發(fā)器模塊、溫度采集模塊3部分組成，其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器的全靜態(tài)MCU系列。PIC18 MCU采用先進的RISC架構(gòu)，支持FLASH和OTP器件，其突出的特點是強調(diào)低功耗，非常適用于各種低功耗要求的應(yīng)用。

在射頻收發(fā)器上，本設(shè)計選用Chipcon公司的CC2420射頻收發(fā)器，CC2420是Chipcon公司推出的一款符合IEEE802.15.4規(guī)范的2.4 GHz射頻芯片，已經(jīng)被用來開發(fā)工業(yè)無線傳感及家庭組網(wǎng)等PAN網(wǎng)絡(luò)的ZigBee設(shè)備和產(chǎn)品。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，以CBIOS工藝制成只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。

系統(tǒng)終端的溫度采集模塊采用由美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20單線數(shù)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(zhuǎn)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(shù)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(jié)省大量的引線和邏輯電路。

4 ZigBee無線溫度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用Microchip的MPLAB-IDE v7.30軟件平臺及MPLAB-ICD2在線調(diào)試仿真器。MPLAB-ICD2在線調(diào)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(chǎn)的采用FLASH工藝的微控制器芯片的程序區(qū)可重復(fù)多次讀寫功能，直接使用目標(biāo)芯片實現(xiàn)仿真調(diào)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(fù)位后，接收應(yīng)答信號，跳讀ROM中序列號，找到序列號后，進行溫度轉(zhuǎn)換（采樣、保持和A/D轉(zhuǎn)換，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量）等待2μs后，溫度轉(zhuǎn)換完畢，保存數(shù)據(jù)，并找出最高溫度TH和最低溫度TL，如此反復(fù)，完成所有在線DS18B20溫度轉(zhuǎn)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(fā)送ROM命令；第三步：發(fā)送功能命令。初始化包括主機發(fā)出復(fù)位脈沖（通過將總線拉低至少480 μs來實現(xiàn)），隨即主機等待DS18B20發(fā)回的存在脈沖。DS18B20則從檢測到復(fù)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(xiàn)存在脈沖的發(fā)送。初始化完成后即可發(fā)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(fā)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?qū)崿F(xiàn)，而主機讀取DS18B20傳送的數(shù)據(jù)通過讀時序?qū)崿F(xiàn)。

5 ZigBee無線溫度采集系統(tǒng)的實驗結(jié)果

在兩層樓的若干個房間中布置一套基于ZigBee 技術(shù)實現(xiàn)的無線溫度采集系統(tǒng)的實驗網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 4所示。在每個房間內(nèi)都設(shè)置1個ZigBee 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，可以配置為路由器或者終端節(jié)點。因為協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由器節(jié)點具有路由功能，協(xié)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(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，以降低成本。室內(nèi)所有的節(jié)點組成1個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，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，對超出溫度范圍的點進行報警。系統(tǒng)設(shè)計成本低廉、可靠性高、響應(yīng)速度快，是不斷發(fā)展的電子信息技術(shù)在溫度監(jiān)采集領(lǐng)域中的應(yīng)用。

6 結(jié) 語

實踐表明，科學(xué)管理空調(diào)的運行，既能提供比較健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境，又能節(jié)約能源，保護生態(tài)環(huán)境，是一件利國利民的好事。本文針對國務(wù)院要求嚴格執(zhí)行公共場所空調(diào)溫度控制標(biāo)準(zhǔn)的要求以及大樓內(nèi)的結(jié)構(gòu)特點，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的無線溫度采集系統(tǒng)，有效地監(jiān)督了空調(diào)的科學(xué)使用，達到節(jié)約能源資源，保護環(huán)境的目的。系統(tǒng)實現(xiàn)成本低廉、安裝方便、終端節(jié)點功耗低、工作穩(wěn)定、具有很強的推廣價值。

參考文獻

［1］ZigBee Alliance.ZigBee Specification.［EB/OL］.http://www.ZigBee.org/en/spec_download，2007-02-07.

［2］Chipcon AS SmartRF.CC2420 Preliminary Datasheet(Rev 1.2)，2004.

［3］Microchip Stack for ZigBee.V1.0-3.September 9，2005.http://www.microchip.com.

［4］蔣挺，趙成林.ZigBee紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用（IEEE802.15.4）［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

［5］李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實戰(zhàn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［6］陳新建.PIC系列單片機程序設(shè)計與開發(fā)應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

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

曾連蓀 男，1962年出生，教授。主要從事無線接入技術(shù)和定位導(dǎo)航技術(shù)的研究。