徐 磊，李 濱

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

21世紀(jì)的農(nóng)業(yè)是新型農(nóng)業(yè)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，今后農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展必須要以這樣的先進(jìn)技術(shù)作為基礎(chǔ)。由放置在試驗(yàn)范圍內(nèi)的低成本微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，采用無(wú)線通信方式形成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Sensor Network，WSN)技術(shù)就是其中的一種，這種網(wǎng)絡(luò)具有自組織的多跳的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用這種技術(shù)對(duì)指定區(qū)域中的對(duì)象的信息同時(shí)進(jìn)行采集和處理，并最終傳送給客戶端［1－2］。

ZigBee技術(shù)是一種以IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本文選用了其內(nèi)部集成了8051單片機(jī)，而且具有線路簡(jiǎn)單，使用方便，并且適用于ZigBee技術(shù)等特點(diǎn)的CC2430芯片來(lái)搭建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

本文設(shè)計(jì)了一種適用于ZigBee技術(shù)的無(wú)線溫度采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)選用DS18B20對(duì)溫度進(jìn)行采集，然后通過(guò)由CC2430和ATMEGA16位單片機(jī)組成的模塊進(jìn)行傳輸，并通過(guò)串口通信RS232傳送給數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行相關(guān)的處理和監(jiān)測(cè)，進(jìn)而使用戶可以實(shí)時(shí)地在互聯(lián)網(wǎng)的任意位置對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)控［3］。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

ZigBee是一種低成本、速率低、功耗低、距離短的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其工作頻段為2.4GHz，是以IEEE 802.15.4技術(shù)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并對(duì)其進(jìn)行完善和補(bǔ)充之后而制定的［4］。ZigBee技術(shù)是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能化控制及無(wú)線控制等各技術(shù)范疇有很廣泛的應(yīng)用。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，它在很多領(lǐng)域逐步取代了有線技術(shù)。因?yàn)樗粌H支持靜態(tài)固定拓?fù)涞臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而且也支持動(dòng)態(tài)變化拓?fù)涞臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用成功地填補(bǔ)了低成本、低速率和低功耗無(wú)線通信市場(chǎng)的技術(shù)空白，它可以進(jìn)行靈活的軟硬件開(kāi)發(fā)，也有高效的組網(wǎng)方法［5］。

本文所設(shè)計(jì)的以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的理論依據(jù)是其各節(jié)點(diǎn)的硬件與軟件設(shè)計(jì)原理，其中終端溫度采集節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)是選用了CC2430芯片作為核心部件來(lái)進(jìn)行搭建的，同時(shí)，此系統(tǒng)是一個(gè)低功耗溫度采集及傳輸系統(tǒng)，并通過(guò)與掌上智能PDA及上位機(jī)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)時(shí)的溫度采集與監(jiān)控系統(tǒng)［6－8］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)硬件包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)兩部分。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)用來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行采集，包括溫度傳感器、無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)處理等模塊。溫度數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)被傳送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)處理和無(wú)線通信模塊組成，負(fù)責(zé)接收和控制各終端節(jié)點(diǎn)的溫度信息。終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

2.1 終端節(jié)點(diǎn)模塊

該模塊選用溫度傳感器 DS18B20進(jìn)行溫度采集，此傳感器具有寫(xiě)入或讀出數(shù)據(jù)只需一根端口線、模擬信號(hào) (溫度)直接轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)、數(shù)據(jù)處理模塊可直接接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理等優(yōu)點(diǎn)。另外測(cè)量范圍可達(dá)到－55～125℃、可編程A/D轉(zhuǎn)換精度為9～12位，相應(yīng)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(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，非常適合溫度檢測(cè)［7］。表1為DS18B20所測(cè)數(shù)據(jù)以擴(kuò)展的16bit二進(jìn)制補(bǔ)碼形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后在寄存器中的存儲(chǔ)格式。S值為1和0分別代表溫度為負(fù)和正，其余的位數(shù)是數(shù)據(jù)位，位數(shù)越多分辨率越高。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 The hardware structure of terminal node

圖3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)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(jì)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(shí)的溫度計(jì)算公式，將測(cè)到的數(shù)值乘以0.062 5，即可得到實(shí)際溫度;公式 (2)為溫度值為負(fù)時(shí)的計(jì)算公式，測(cè)得的數(shù)值需要先變成二進(jìn)制補(bǔ)碼，然后將其乘以0.062 5便得到實(shí)際溫度。兩個(gè)等式中中括號(hào)內(nèi)的數(shù)值均為二進(jìn)制，在計(jì)算完成后需要把結(jié)果轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制。

DS18B20通過(guò)以上轉(zhuǎn)換公式以及其內(nèi)部的轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，通過(guò)溫度顯示模塊直接以數(shù)字形式顯示溫度。從而實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2.2 ZigBee無(wú)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(gòu)，在單個(gè)芯片上集成了 ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微型控制器，CC2430擁有 1個(gè) 8位 8051MCU，8KB的 RAM，32KB、64KB或128KB的Flash，還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器、32kHz晶振的休眠狀態(tài)定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路、AES128協(xié)同處理器件以及21個(gè)可編程的I/O引腳。可工作在2.4GHz頻段，很大程度地節(jié)約了成本，在接收或發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA，在待機(jī)模式時(shí)的損耗電流值低于0.6μA，在休眠模式時(shí)的損耗電流值只有0.9μA，在一些要求電池壽命比較長(zhǎng)的場(chǎng)合的應(yīng)用很廣泛。

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度采集的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用DS18B20作為溫度采集的傳感器，DS18B20采用的是單總線協(xié)議。在實(shí)際的軟件設(shè)計(jì)中，由控制器發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)總線上所有的DS18B20傳感器進(jìn)行復(fù)位操作，使其處于復(fù)位待命狀態(tài)，然后向序列號(hào)相匹配的傳感器發(fā)送相應(yīng)的ROM指令，使這些傳感器被激活，做好接受RAM訪問(wèn)指令的準(zhǔn)備。其中RAM訪問(wèn)指令是用來(lái)控制被選中的傳感器的工作狀態(tài)，并且轉(zhuǎn)化和讀取傳感器數(shù)據(jù)。總結(jié)對(duì)DS18B20軟件操作過(guò)程如下:首先由單片機(jī)對(duì)溫度傳感器序列號(hào)進(jìn)行搜索并啟動(dòng)溫度傳感器進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換、讀取溫度值。由于在本設(shè)計(jì)中采用51單片機(jī)作為中心處理器，所以訪問(wèn)DS18B20傳感器是需要使用軟件來(lái)模擬單總線協(xié)議時(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)配置的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)配置是溫度采集系統(tǒng)的重要過(guò)程，網(wǎng)絡(luò)配置的質(zhì)量關(guān)乎數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，所以此過(guò)程非常重要。從網(wǎng)絡(luò)配置指標(biāo)的各種因素考慮選取Chipcon公司設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行配置。配置的具體過(guò)程如下:首先由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器利用NLME網(wǎng)絡(luò)形成需求原語(yǔ)來(lái)搭建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò):網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行上電操作后，首先對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行初始化，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層向MAC層發(fā)送MLME掃描需求原語(yǔ)，檢測(cè)和掃描MAC層每個(gè)候選信道的峰值能量，掃描結(jié)果通過(guò)確認(rèn)原語(yǔ)返回。協(xié)調(diào)器根據(jù)掃描結(jié)果選擇合適的信道，然后建立一個(gè)自己的網(wǎng)絡(luò)并選擇一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符。如果PAN標(biāo)識(shí)符被選定，就說(shuō)明已經(jīng)建立網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體發(fā)出MLME啟動(dòng)需求原語(yǔ)到MAC層開(kāi)始運(yùn)行新的網(wǎng)絡(luò)，此后可以允許節(jié)點(diǎn)的ZigBee設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，接收它們傳輸?shù)臏囟戎?，并將其傳送給PC機(jī)進(jìn)行處理。

溫度采集節(jié)點(diǎn)上電處理之后，應(yīng)用層發(fā)送包括掃描時(shí)間、需要掃描的信道兩個(gè)參數(shù)的原語(yǔ)到網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層收到后發(fā)送MLME掃描需求原語(yǔ)到MAC層，MAC層掃描有效長(zhǎng)度大于零的信標(biāo)并發(fā)送MLME_BEACON_NO－TYFY指示原語(yǔ)到網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層接收后發(fā)送NLME網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)確認(rèn)原語(yǔ)到應(yīng)用層。應(yīng)用層接收后即得到了當(dāng)前附近網(wǎng)絡(luò)的情況并且選擇加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，然后發(fā)送NLME加入請(qǐng)求原語(yǔ)，并對(duì)想要加入的網(wǎng)絡(luò)的PAN標(biāo)識(shí)符參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。接著網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送原語(yǔ)到MAC層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，如果連接成功，網(wǎng)絡(luò)層將收到MLME關(guān)聯(lián)確認(rèn)原語(yǔ)進(jìn)行確認(rèn)，并添加新連接的設(shè)備到鄰接表中。接著網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送MLME加入確認(rèn)原語(yǔ)到應(yīng)用層，子設(shè)備成功加入網(wǎng)絡(luò)。此過(guò)程結(jié)束后表明溫度采集節(jié)點(diǎn)順利加入網(wǎng)絡(luò)，它便通過(guò)協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)與網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)同步，開(kāi)始周期性地采集溫度值，并將測(cè)量結(jié)果傳送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。以上為網(wǎng)絡(luò)配置和成功實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜^(guò)程。協(xié)調(diào)器和溫度節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖5所示［10］。

4 結(jié)論

該無(wú)線溫度采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用低成本、低功耗的CC2430芯片作為數(shù)據(jù)處理工具，通過(guò)具有單總線結(jié)構(gòu)、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、檢驗(yàn)精度高、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20對(duì)溫度進(jìn)行采集。初步實(shí)驗(yàn)證明采用CC2430芯片和基本協(xié)議共同組成的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅具備較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)壯性。同時(shí)ZigBee技術(shù)作為一種投入小、低能耗、低速率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、近距離的無(wú)線通信技術(shù)，完全可以應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境下的智能檢測(cè)領(lǐng)域和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

圖5 協(xié)調(diào)器工作流程圖和溫度節(jié)點(diǎn)工作流程圖Fig.5 The work flow chart of coordinator and temperature nodes

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