ZigBee技术在温控系统中的应用

0 引 言
    目前短距离无线通信技术已成为无线通信技术的一个重要分支，现实中很多系统传输的数据通常为少量的突发信号，这里采用的ZigBee技术就是具有统一标准的短距离无线通信技术，专门用于这类信息的传输，工作在2．4 GHz的免付费、免申请频段上，传输速率为250 Kb／s。这种无线通信技术具有如下特点：传输距离远、室内大概有30 m，功耗低，工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式。
    这里把ZigBee技术应用到温控系统中，现有的温控系统，很多都是采用有线方式。通过有线方式传输信号，布线费用昂贵，维修困难，难于扩展，在某些情况下甚至无法布线成功，这是其遇到的一个极大困难，且系统的抗毁性也比较差，一旦主控制芯片出现了问题，整个系统就会崩溃。应用ZigBee技术以后，温控系统可以从有线方式变为无线方式。

1 ZigBee技术的特点
    ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件：全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按三种方式工作，分别为：个域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅适于非常简单的应用。

2 对等网中的Mesh网络的特点
    对等网是全部由完整功能器件(FFD)连接而成的，这种网络能提供更高的可靠性，如图1所示。

    综上所述，这里采用ZigBee技术实现网络的传输，并选用ZigBee支持的Mesh网络实现此功能。对等网是全部由完整功能器件(FFD)连接而成的，这种网络能提供更高的可靠性。
    该网络有一个主控制节点，用来启动整个网络，这个主控制节点由专门的电源供电，另外还有专门负责路由信息的控制节点，给信息传输提供必要的路由，本身也可以参与温度的测量，还有就是一些终端的节点，它们可以专门用来测量端点的温度，另外在必要的时候，如网络出现故障，它们启动相应的命令，就又可以充当路由的功能。
    这种无线网络具有较强的抗毁性，某个节点出现故障，路由节点可以选择另外一条路由去完成此次传输。

3 Mesh网络的建立过程
    这里所有的站点都是FFD(全功能器件)，可以用下面的方法组建一个网络。
    每个大型的ZigBee的Mesh网络都可以由一个中心协调器(PAN)和路由器(Router)组成。这里以采用以下原语实现：

   
    该原语由具有ZigBee协调器能力设备的应用层生成，发送给它的网络层管理实体，请求初始化设备，使之成为一个新网络的协调器。

   
    该原语返回在网络中初始化一个ZigBee协调器请求的执行结果。如果成功执行了原语，则状态参数设置为SUCCESS。
    设置ZigBee协调器以后，再采用NLME-PER-MIT-JOINING．request原语允许其他设备同其网络连接。

    
    PermitDuration中参数的有效值从0x00~0xFF，0x00和0xFF分别表示连接是否有效，没有确定的时间限制，这里选择0xFF。
    返回：
    NLME-PERMIT-JOINING．confirm(
    Status                     与请求状态相对应
    )
    当收到该原语后，初始化的设备上层即得知允许其他设备连接网络请求原语的执行结果，这里收到的结果应该为0xFF。
    在ZigBee网络中，还要配置路由器，该原语如下：

    因为是采用的Mesh网络，所以这里的Join-AsRouter的参数设置为TURE。
    一个新设备连接网络成功后，就发送NLME-JOIN．indication原语，其语法如下：

   
    至此，一个完整的Zigbee网络就建立成功。
    这个网络具有很好的抗毁性，在Mesh网络中，当一个链路或者一个设备失效时，上层的管理设备将要重新组织路由的信息。如果上层设备由于缺乏路由容量或者其他原因，该路由器设备将会给主协调器发送一个路由错误的指令帧，里面包含了失败的原因。在必要的情况下，甚至可以从某一个节点开始，重新组织一个新的Mesh网络。
    这里的ZigBee无线自组织网络和Ad Hoc(无线自组织多跳网络)还有一点区别，后者是在过一定的时间，重新选择新的路由，而ZigBee的无线自组织是在路径丢失的情况下，才会选择新的路由。
    在某一个芯片出现故障时，会自动搜寻下一个路由，使得信息的传输不会受到影响；必要的时候，甚至可以选择某一个芯片重新启动整个网络系统；而且采用这种方式，芯片之间接力传递，可以最大限度地提高网络的覆盖范围。如果采用星型网络，由于在终端节点不是FFD，而是RFD，如果FFD出现故障，整个系统就无法工作，另外其作用范围也会受到限制。

4 DS18820芯片介绍
    美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS1 820是世界上第一片支持“一线-总线”接口的温度传感器，在整个过程中主要有三个关键的步骤：
    (1)搜寻DS18820的序列号。
    (2)如主机控制DS18820完成温度转换这一过程。
    (3)设定DS18820开始温度转换，读取温度的数值。
    根据DS18820的通讯协议：每一次读写之前都要对DS18820进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18820进行预定的操作。
    DS18820分为读程序和写程序两部分，其中读时序分为读0时序和读1时序两个过程。对于DS18820的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15 s之内就得释放单总线，以让DS18820把数据传输到单总线上，DS18820在完成一个读时序过程，至少需要60μs才能完成。DS18820的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。DS18820写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60μs，保证DS18820能够在15～45μs之间能够正确地采样I／O总线上的“0”电平；当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15μs之内就得释放单总线。

5 系统连接图
    系统连接图如图2所示。

    DS18820与单片机的连接在硬件上有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I／O引脚与单片机的I／O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时Vcc，GND接地，I／O接单片机I／O引脚。无论是内部寄生电源还是外部供电，当传感器DS18820处于写存储器操作和温度A／D转换操作时，总线上必须有较强的上拉，上拉开启时间最大为10μs，这样处理可以有效地降低功耗。

6 结 语
    综上，在现代温控系统中，采用无线通信的ZigBee技术，可以很方便地建立网络，选用ZigBee支持的Mesh网络，可以最大程度地增加网络的抗毁性，而采用芯片接力传递的方式，可以最大程度地扩展网络的覆盖范围。采用DS18820芯片也可以很好地采集温度数据，完成采集和传输任务。对ZigBee芯片写入不同的控制程序可以控制加热器的时间和持续长度。