焦鵬鵬，張 斌，楊 梓

（河北大學(xué) 河北 保定 071000）

自20世紀(jì)90年代開始，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)逐漸進(jìn)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(dòng)中自由地實(shí)現(xiàn)信息的交流。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的通信技術(shù)，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等領(lǐng)域已經(jīng)呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。本文通過(guò)對(duì)IEEE802.15.4/Zigbee協(xié)議棧的研究基礎(chǔ)上，研制出基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。這使得節(jié)點(diǎn)的分布更加靈活，徹底解決了繁瑣的布線麻煩。溫度采集節(jié)點(diǎn)使用PIC16F628A對(duì)DS18B20和UZ2400控制，來(lái)完成溫度的采集和無(wú)線傳輸，并將各個(gè)節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上以供檢測(cè)。

1 ZigBee技術(shù)

1.1 ZigBee的特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、低速率、時(shí)延短和高安全性等特點(diǎn)。其在休眠狀態(tài)下耗電量?jī)H僅只有1μW，通信距離短的情況下工作狀態(tài)的耗電為30 mW。而ZigBee的耗電符合傳感器節(jié)點(diǎn)在危險(xiǎn)的區(qū)域持續(xù)工作數(shù)年而不更換供電單元得需求。本系統(tǒng)使用的2.4 GHz波段為全球統(tǒng)一的無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段，2.4 GHz的物理層采用擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)提供250 kb/s的傳輸速率[1]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備和精簡(jiǎn)功能設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器包含所有的網(wǎng)絡(luò)信息，是3種設(shè)備中最復(fù)雜的一種，存儲(chǔ)容量最大，計(jì)算能力最強(qiáng)，主要負(fù)責(zé)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路由消息以及不斷地接收信息；全功能設(shè)備（FFD）可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，讓其他的 FFD或是精簡(jiǎn)功能裝置連接；精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。節(jié)點(diǎn)類型有3種：協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)只能是FFD，終端節(jié)點(diǎn)可以是FFD或者 RFD。ZigBee網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇狀網(wǎng)絡(luò)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

從ISO的OSI模型上來(lái)看，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可分為4層，從下到上依次是物理層、媒體訪問(wèn)層（MAC層）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）[2]，如圖2所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的最低2層是物理層和MAC層，它們使用的是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，而網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層則由ZigBee聯(lián)盟制定。ZigBee協(xié)議的應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層、設(shè)備對(duì)象和應(yīng)用對(duì)象。它的每一層都要向上一層提供數(shù)據(jù)和管理服務(wù)。

圖1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology diagram

物理層是由半雙工的無(wú)線收發(fā)器及其接口組成，它可以直接利用無(wú)線信道來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。媒體訪問(wèn)控制子層旨在提供節(jié)點(diǎn)自身和與其相鄰的其他節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。網(wǎng)絡(luò)層則利用MAC層可靠的數(shù)據(jù)通信，提供路由、多跳轉(zhuǎn)發(fā)的能力，來(lái)實(shí)現(xiàn)和維護(hù)星型、樹簇型和網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而言，它的功能就是加入或離開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。而路由器則需要完成信息的轉(zhuǎn)發(fā)，發(fā)現(xiàn)周邊的鄰居，為其他節(jié)點(diǎn)構(gòu)造路由等大量的任務(wù)。協(xié)調(diào)器的任務(wù)包括啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，為新加入節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址等。應(yīng)用支持子層的任務(wù)則是將網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)發(fā)到不同端點(diǎn)，包括維護(hù)綁定表，在被綁定的設(shè)備之間傳遞信息，之后綁定表將設(shè)備按它們能夠提供的服務(wù)種類和需要的服務(wù)匹配起來(lái)。設(shè)備對(duì)象的作用是指設(shè)備上的所有管理工作，包括定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的作用，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備，確定這些設(shè)備自身所能夠提供的功能，并初始化獲響應(yīng)綁定請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備之間建立安全的聯(lián)系等。應(yīng)用對(duì)象是運(yùn)行在端點(diǎn)上的一種應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)上具體的應(yīng)用功能，如圖2所示。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系Fig.2 ZigBee network system

系統(tǒng)中ZigBee設(shè)備是通過(guò)ZigBee模板來(lái)定義，并且以應(yīng)用對(duì)象的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它的模板定義了設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備類型以及設(shè)備之間通信的“簇”。每個(gè)應(yīng)用對(duì)象都必須通過(guò)自身的端點(diǎn)連接到ZigBee堆棧，因此它們都是可尋址的設(shè)備的組件。從應(yīng)用角度上來(lái)看，通信的本質(zhì)就是端點(diǎn)到端點(diǎn)的信息交互。端點(diǎn)之間的通信是通過(guò)的數(shù)據(jù)“簇”來(lái)實(shí)現(xiàn)的?！按亍本褪菓?yīng)用對(duì)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(qū)別

ZigBee建立在IEEE 802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)之上，它確定了協(xié)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(wú)線個(gè)域網(wǎng)（Personal Area Network）標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)物理層和MAC層兩部分進(jìn)行了定義。簡(jiǎn)單的說(shuō)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(jìn)行組網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是只定義物理層和MAC層是并不足以保證設(shè)備之間可以進(jìn)行“對(duì)話”。ZigBee聯(lián)盟旨在從IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開始著手，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。完整的協(xié)議用于一次可直接連到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4KB或者作為Hub或路由器、協(xié)調(diào)器的32KB。每個(gè)協(xié)調(diào)器最多可連接255個(gè)節(jié)點(diǎn)，幾個(gè)協(xié)調(diào)器還可以形成一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)，而且路由的傳輸數(shù)目沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜傳輸設(shè)備不會(huì)意外泄漏它的標(biāo)識(shí)信息，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線距離傳輸也不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)截獲。

2 電路原理及設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)機(jī)理是以ZigBee傳輸模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的串行通信模塊，將采集到的信息數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)送出去。該節(jié)點(diǎn)包含ZigBee無(wú)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(chǔ)器等[5]。發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接受節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一采用UBEC公司推出的高度整合的SoC芯片UZ2400無(wú)線射頻芯片實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能。而控制芯片則采用兩種不同單片機(jī)進(jìn)行控制。

2.1 系統(tǒng)總架構(gòu)

整個(gè)硬件系統(tǒng)分發(fā)射和接受兩套硬件系統(tǒng)。發(fā)射系統(tǒng)由PIC16F628A單片機(jī)控制溫度傳感器DS18B20采集溫度，然后制定通信協(xié)議通過(guò)UZ2400芯片將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸[6]。接收系統(tǒng)由新華龍公司生產(chǎn)的C8051F020單片機(jī)控制UZ2400匹配通信協(xié)議后對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線接收，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)串口接到上位機(jī)用以顯示各節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)示意圖Fig.3 System diagram

2.2 發(fā)射系統(tǒng)

發(fā)射節(jié)點(diǎn)選用PIC16F628A單片機(jī)控制溫度傳感器DS18B20來(lái)采集溫度，電路如圖4所示。

DS18B20只需一個(gè)接口引腳就可以與單片機(jī)進(jìn)行通信。每一個(gè)DS18B20都有一個(gè)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(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：+3.0～+5.5 V；測(cè)溫范圍：-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃，分辨率0.062 5℃；通過(guò)編程后可實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字讀取。

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

無(wú)線射頻芯片UZ2400是UBEC公司推出的用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，集成了線性功率放大器UP2202，以及一個(gè)寬帶低噪聲放大器UA2723。UZ2400屬于串行總線控制設(shè)備（SPI總線控制），內(nèi)置了無(wú)線射頻收發(fā)器工作在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基帶濾波和MAC層的功能模塊。主要由發(fā)射/接收FIFOs，CSMA-CA控制器，超幀架構(gòu)，接收幀過(guò)濾器，安全引擎和數(shù)字信號(hào)處理模塊等。在保證通信質(zhì)量的同時(shí)，能夠自由的選擇傳輸格式，如圖5所示。

圖5 UZ2400內(nèi)部模塊Fig.5 UZ2400 internal modules

為保證在高壓場(chǎng)合下能夠正確的進(jìn)行傳輸，廠家對(duì)每個(gè)射頻模塊出廠使用前都進(jìn)行了天線性能指標(biāo)測(cè)驗(yàn)。運(yùn)用高頻檢測(cè)儀檢測(cè)功率放大器所產(chǎn)生的高頻信號(hào)性能指標(biāo)，如圖6所示。

圖6 UZ2400性能指標(biāo)Fig.6 UZ2400 performance indicators

UZ2400地址讀寫部分代碼：

2.3 接收系統(tǒng)

接收系統(tǒng)的硬件架構(gòu)較發(fā)射系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單些。采用新華龍公司出產(chǎn)的C8051F020做主控芯片，通過(guò)控制無(wú)線射頻芯片UZ2400接受每個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)發(fā)送的溫度值，并通過(guò)串行通信接口（RS232接口）與上位機(jī)相連，將溫度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的顯示在PC機(jī)界面上。接受系統(tǒng)作為與上位機(jī)連接的唯一主節(jié)點(diǎn)，因此可出于一直供電狀態(tài)，選用支持C8051F020單片機(jī)正常工作的5 V電壓源進(jìn)行供電。但是無(wú)線射頻芯片UZ2400的工作電壓為3.3 V，所以在接收系統(tǒng)的電源模塊中，安裝電壓轉(zhuǎn)換模塊LM1117將5 V轉(zhuǎn)到3.3 V電壓進(jìn)行供電，如圖7所示。

圖7 接收系統(tǒng)電路圖Fig.7 Receiving system schematic

接收系統(tǒng)主程序：

3 結(jié) 論

文中通過(guò)對(duì)基于ZigBee技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，開發(fā)了一種適用性更強(qiáng)的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。文章首先從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一概念入手，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。文章緊接著對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)以及傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進(jìn)行了介紹。重點(diǎn)介紹了基于ZigBee技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)過(guò)程，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系由若干個(gè)發(fā)射節(jié)點(diǎn)和一個(gè)接受主節(jié)點(diǎn)組成。發(fā)射節(jié)點(diǎn)采用單片PIC16F628A控制溫度傳感器DS18B20采集溫度，通過(guò)無(wú)線射頻芯片UZ2400進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，接受主節(jié)點(diǎn)采用單片機(jī)C8051F020控制UZ2400進(jìn)行數(shù)據(jù)接受，并通過(guò)串口RS232將數(shù)據(jù)顯示到上位機(jī)上。通過(guò)對(duì)協(xié)議棧的匹配，成功搭建了基于ZigBee技術(shù)的的無(wú)線傳感器的星型網(wǎng)絡(luò)。

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