基于ZigBee无线传感器网络的温度测量

摘要：ZigBee是一种短距离的双向无线通信技术，技术特点可以概括为4低：低复杂度、低功耗、低数据速率及低成本。它主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。为了避免温度监控节点与数据集中器之间系统安装过程中烦琐的布线工作，采用ZigBee技术进行数据传输。在此对ZigBee技术进行分析和对CC2430芯片进行研究，并介绍了系统构成和组成原理，做了温度测量的实验，温度监测结果以数据、曲线等方式在数据集中器人机界面上显示。实践结果表明，该设计达到了预期目标。
关键词：ZigBee；无线通信；温度测量；人机界面

0 引言
    在现代工农业生产中，进行环境温度检测是必不可少的内容。目前，很多场合的多点分布式温度测量系统大多还是采用有线传输方式，需要在现场进行大量布线，这给系统的布设、维护和更新升级带来诸多不便。本文设计了一种基于ZigBee技术的数据传输，以RF(射频)芯片CC2430为核心，能够高效地完成对环境温度的无线检测，可以有效解决复杂布线带来的不便。

1 ZigBee原理
1．1 网络拓扑
    基于IEEE 802．15．4标准的ZigBee无线网络技术，工作于3个频段(868 MHz，915 MHz，2．4 GHz)，数据率最高可达250Kb／s。网络拓扑可分为图1所示的星形拓扑、簇状拓扑和网状拓扑。其中，簇状拓扑和网状拓扑均有一个主控节点和若干个路由节点以及终端节点，可以实现多跳数据通信，因而覆盖范围加大，路由也可因地制宜做动态调整。所以将ZigBee传感器网络应用于测温系统，极大地提高了系统的灵活性和适用范围，弥补了有线测温系统的不足。

1．2 无线信道组成
    表1为ZigBee无线信道的组成。2．4 GHz波段为全球统一的ISM频段，免费开放，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低；物理层通过采用16相高阶调制技术，提供250 Kb／s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。868 MHz是欧洲附加的ISM频段，915MHz是美国附加的ISM频段，这两个频段上的ZigBee设备避开了来自2．4GHz频段中其他无线通信设备和家用电器的无线电干扰。这两个频段上无线信号传播损耗较小，可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖较多的区域。为了提高传输数据的可靠性，ZigBee采用了时隙化的载波侦听和冲突避免的信道接口CAMA-CA(Carrier Sense Multipie Access with Collision Avoidanee)算法。

1．3 ZigBee消息方式
    ZigBee通信消息帧有“KVP”和“Message”两种方式，其中“Message”方式的帧格式可以由用户自己定义，操作方式比较灵活，在此，选择了“Message”方式，其帧格式定义如下：
    OTAFrome{Uintl6 StanWord；
    Byte Length；
    Byte Cmd；
    Byte 3Data；
    Byte Endbyte；}；
    可以通过定义的OTAFrame In和OTAFrame Out来接收和发送消息帧，实现无线接口。

2 系统组成与工作原理
    如图2所示，单片机MSP430F149从温度传感器中得到温度数据，通过RS 232串口将数据传送给ZigBee RFD模块，模块转化为ZigBee通信协议包，再传给ZigBee FFD模块。ZigBee RFD模块以多跳通信的方式把数据包传给ZigBee协调器。协调器收到数据包后，一方面按原路返回收到数据的确认信息，最终到达发送数据的ZigBee RFD模块，实现握手通信，完成一次完整的ZigBee通信。如果没有收到协调器返回的握手信息，则ZigBee RFD模块继续发送数据，直到收到协调器返回的握手信息。另一方面，协调器把收到的温度数据传给近距离的PC机，或通过现有的其他网络(如GPRs，cDMA，Intemet等)将温度数据传送给远距离的PC机。

2．1 控制模块
    控制模块以MSP430单片机为核心，是超低功耗微控制器，基于真正的16位RISC CPU内核，16位总线结构，每个外围器件都支持复杂的事件驱动型操作。同其他微控制器相比，带片内FLASH的微控制器可以将系统功耗降低至原功耗的1／5，并且减小了硬件线路板空间。
2．2 无线收发模块
    主芯片采用TI-Chipcon公司推出的CC2420射频芯片，符合2．4 GHz IEEE 802．15．4标准，适用于ZigBee产品。该芯片只需极少外围元件，性能稳定且功耗极低。具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16MHz晶振等非常少的外围电路就能在2．4 GHz频段上工作，可确保短距离通信的有效性和可靠性。支持的数据传输率高达250 Kb／s，可实现多点对多点的快速组网。它的MAC层和物理层协议都符合IEEE802．  15．4规范，工作于许可的ISM频段。
2．3 路由协议
    为了保证数据的可靠，传输采用多路径路由协议(MSR)，该协议是动态源路由DSR的扩展。DSR使用的是由发送端确定的路由，而不是由各个节点决定下一跳的路由。这样做的好处是中间节点无需保存路由信息。DSR是基于响应的，不需要周期地发送任何消息。DSR协议包括路由发现和路由保持机制两部分。
    MSR保留了DSR的路由发现机制，所不同的是得到的为多个路径。每个被发现的路由保存在用惟一指标标志的路由缓存中，以备使用。因MSR使用源路由、源节点负责平衡负载，邻接节点只做转发，转发是根据包头指明的路径。

3 实验分析
    实验在两层楼的若干个房间中布置一套基于ZigBee技术的无线温度采集系统实验装置，其网络结构如图3所示。每个房间都放置1个Zig Bee模块，其中协调器节点是必需的。在其他地方，根据是否需要路由功能，可以放置路由器或者终端节点。需要给其他节点路由转发数据报的节点配置为路由器节点，其他节点则都配置为终端节点。这样所有的节点组成1个ZigBee网络，每层楼一个协调器，数据最终传送到PC监控主机，对每个房间实时监控，并对超出温度范围的点报警。系统可靠性高，设计成本低廉，响应速度快，在不断发展的短距离无线通信技术中发挥极大的潜力。

4 结语
    基于ZigBee无线网络技术的测温系统克服了有线传感器测温系统的不足，能够支持多达128个传感器节点，由于采用了多跳无线通信技术，系统的覆盖范围显著提高。该系统在典型应用情况下，能够实现不问断数据采集。测温系统中的ZigBee无线传感器网络作为信息交换和处理的通用平台，若配以不同类型的传感器可构成相应的测量系统，具有高度可扩展性。相信将来会有越来越多内置ZigBee功能的装置进入人们的生活，实现无所不在的物联网生活。