基于无线传感器网络的温度采集与传输

焦鹏鹏，张 斌，杨 梓

（河北大学 河北 保定 071000）

自20世纪90年代开始，无线传感器网络技术已经逐渐进入了我们的生活和工作中，使我们摆脱了电线的束缚，从而能够在移动中自由地实现信息的交流。无线传感器网络作为一种新兴的通信技术，已经成为国内外研究的热点，在工业、农业、军事等领域已经呈现出广阔的应用前景。本文通过对IEEE802.15.4/Zigbee协议栈的研究基础上，研制出基于ZigBee技术的无线传感器网络节点。这使得节点的分布更加灵活，彻底解决了繁琐的布线麻烦。温度采集节点使用PIC16F628A对DS18B20和UZ2400控制，来完成温度的采集和无线传输，并将各个节点组成星型网络，实时地将数据传输到上位机上以供检测。

1 ZigBee技术

1.1 ZigBee的特点

ZigBee技术具有低功耗、低成本、低速率、时延短和高安全性等特点。其在休眠状态下耗电量仅仅只有1μW，通信距离短的情况下工作状态的耗电为30 mW。而ZigBee的耗电符合传感器节点在危险的区域持续工作数年而不更换供电单元得需求。本系统使用的2.4 GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，2.4 GHz的物理层采用扩频调制解调技术提供250 kb/s的传输速率[1]。ZigBee网络设备主要包括网络协调器、全功能设备和精简功能设备。网络协调器包含所有的网络信息，是3种设备中最复杂的一种，存储容量最大，计算能力最强，主要负责发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息以及不断地接收信息；全功能设备（FFD）可以担任网络协调者，构建网络，让其他的 FFD或是精简功能装置连接；精简功能设备（RFD）只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。节点类型有3种：协调节点、路由节点和终端节点。协调节点与路由节点只能是FFD，终端节点可以是FFD或者 RFD。ZigBee网络根据应用的需要可以组织成星型网络、网状网络和簇状网络3种拓扑结构，如图1所示。

1.2 ZigBee网络体系结构

从ISO的OSI模型上来看，ZigBee网络可分为4层，从下到上依次是物理层、媒体访问层（MAC层）、网络层（NWK）和应用层（APL）[2]，如图2所示。ZigBee网络的最低2层是物理层和MAC层，它们使用的是IEEE802.15.4标准，而网络层和应用层则由ZigBee联盟制定。ZigBee协议的应用层包括应用支持子层、设备对象和应用对象。它的每一层都要向上一层提供数据和管理服务。

图1 拓扑结构图Fig.1 Topology diagram

物理层是由半双工的无线收发器及其接口组成，它可以直接利用无线信道来传输数据。媒体访问控制子层旨在提供节点自身和与其相邻的其他节点之间进行可靠的数据传输链路。网络层则利用MAC层可靠的数据通信，提供路由、多跳转发的能力，来实现和维护星型、树簇型和网格型网络。对于一个简单的网络节点而言，它的功能就是加入或离开一个网络。而路由器则需要完成信息的转发，发现周边的邻居，为其他节点构造路由等大量的任务。协调器的任务包括启动网络，为新加入节点分配网络地址等。应用支持子层的任务则是将网络信息转发到不同端点，包括维护绑定表，在被绑定的设备之间传递信息，之后绑定表将设备按它们能够提供的服务种类和需要的服务匹配起来。设备对象的作用是指设备上的所有管理工作，包括定义设备在网络中的作用，发现网络中的其他设备，确定这些设备自身所能够提供的功能，并初始化获响应绑定请求，在网络中的设备之间建立安全的联系等。应用对象是运行在端点上的一种应用软件，实现节点上具体的应用功能，如图2所示。

图2 ZigBee网络体系Fig.2 ZigBee network system

系统中ZigBee设备是通过ZigBee模板来定义，并且以应用对象的形式来实现的。它的模板定义了设备的应用环境、设备类型以及设备之间通信的“簇”。每个应用对象都必须通过自身的端点连接到ZigBee堆栈，因此它们都是可寻址的设备的组件。从应用角度上来看，通信的本质就是端点到端点的信息交互。端点之间的通信是通过的数据“簇”来实现的。“簇”就是应用对象之间共享信息所需的全部属性的容器。

1.3 ZigBee与IEEE 802.15.4的区别

ZigBee建立在IEEE 802.15.4的标准之上，它确定了协议可以在不同的制造商之间共享[3]。IEEE 802.15.4是IEEE确定的低速率无线个域网（Personal Area Network）标准，这个标准只对物理层和MAC层两部分进行了定义。简单的说物理层就是确定了传输波段，MAC层则定义了如何共享信道以及如何进行组网的拓扑结构。但是只定义物理层和MAC层是并不足以保证设备之间可以进行“对话”。ZigBee联盟旨在从IEEE 802.15.4标准开始着手，对其网络层协议和API函数进行标准化。完整的协议用于一次可直接连到一个设备的基本节点的4KB或者作为Hub或路由器、协调器的32KB。每个协调器最多可连接255个节点，几个协调器还可以形成一个传输网络，而且路由的传输数目没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携传输设备不会意外泄漏它的标识信息，而且这种利用网络的无线距离传输也不会被其他节点截获。

2 电路原理及设计

无线传感器网络节点是一个微型嵌入式系统。传感器节点的设计机理是以ZigBee传输模块代替传统的串行通信模块，将采集到的信息数据以无线方式发送出去。该节点包含ZigBee无线传输模块、微控制器模块、传感器模块及接口电路、直流电源模块以及外部存储器等[5]。发送节点和接受节点统一采用UBEC公司推出的高度整合的SoC芯片UZ2400无线射频芯片实现传感器节点的数据传输和处理功能。而控制芯片则采用两种不同单片机进行控制。

2.1 系统总架构

整个硬件系统分发射和接受两套硬件系统。发射系统由PIC16F628A单片机控制温度传感器DS18B20采集温度，然后制定通信协议通过UZ2400芯片将温度数据进行无线传输[6]。接收系统由新华龙公司生产的C8051F020单片机控制UZ2400匹配通信协议后对温度数据进行无线接收，然后将数据通过串口接到上位机用以显示各节点采集的数据，如图3所示。

图3 系统示意图Fig.3 System diagram

2.2 发射系统

发射节点选用PIC16F628A单片机控制温度传感器DS18B20来采集温度，电路如图4所示。

DS18B20只需一个接口引脚就可以与单片机进行通信。每一个DS18B20都有一个唯一的64位ROM序列码；在使用中不需要任何外围元件；可用数据线供电，电压范围：+3.0～+5.5 V；测温范围：-55～+125℃，在-10～+85℃范围内精度为±0.5℃，分辨率0.062 5℃；通过编程后可实现9～12位的数字读取。

图4 温度采集电路Fig.4 Temperature acquisition circuit

无线射频芯片UZ2400是UBEC公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，集成了线性功率放大器UP2202，以及一个宽带低噪声放大器UA2723。UZ2400属于串行总线控制设备（SPI总线控制），内置了无线射频收发器工作在802.15.4标准的基带滤波和MAC层的功能模块。主要由发射/接收FIFOs，CSMA-CA控制器，超帧架构，接收帧过滤器，安全引擎和数字信号处理模块等。在保证通信质量的同时，能够自由的选择传输格式，如图5所示。

图5 UZ2400内部模块Fig.5 UZ2400 internal modules

为保证在高压场合下能够正确的进行传输，厂家对每个射频模块出厂使用前都进行了天线性能指标测验。运用高频检测仪检测功率放大器所产生的高频信号性能指标，如图6所示。

图6 UZ2400性能指标Fig.6 UZ2400 performance indicators

UZ2400地址读写部分代码：

2.3 接收系统

接收系统的硬件架构较发射系统相对简单些。采用新华龙公司出产的C8051F020做主控芯片，通过控制无线射频芯片UZ2400接受每个发射节点发送的温度值，并通过串行通信接口（RS232接口）与上位机相连，将温度数据实时的显示在PC机界面上。接受系统作为与上位机连接的唯一主节点，因此可出于一直供电状态，选用支持C8051F020单片机正常工作的5 V电压源进行供电。但是无线射频芯片UZ2400的工作电压为3.3 V，所以在接收系统的电源模块中，安装电压转换模块LM1117将5 V转到3.3 V电压进行供电，如图7所示。

图7 接收系统电路图Fig.7 Receiving system schematic

接收系统主程序：

3 结 论

文中通过对基于ZigBee技术无线传感器网络的研究，开发了一种适用性更强的无线测温系统的无线传感器网络节点。文章首先从无线传感器网络这一概念入手，对无线传感器网络的产生和发展现状进行了介绍。文章紧接着对无线传感器网络的体系结构，传感器节点的结构以及传感器网络协议栈进行了介绍。重点介绍了基于ZigBee技术无线传感器网络节点的设计过程，整个网络体系由若干个发射节点和一个接受主节点组成。发射节点采用单片PIC16F628A控制温度传感器DS18B20采集温度，通过无线射频芯片UZ2400进行数据传输，接受主节点采用单片机C8051F020控制UZ2400进行数据接受，并通过串口RS232将数据显示到上位机上。通过对协议栈的匹配，成功搭建了基于ZigBee技术的的无线传感器的星型网络。

[1]李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2]吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3]夏俐，陈曦，赵千川.无线传感器网络及应用简介[J].自动化博览，2004（1）:34-37.XIA Li，CHEN Xi，ZHAO Qian-chuan.Wireless sensor networks and applications introduction[J].Automation expo，2004（1）:34-37.

[4]贺文.基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[5]许灵军.基于ZigBee通用无线传感器网络硬件平台的设计[J].集成电路应用，2008（4）:16.XU Ling-jun.The design hardware platform of universal wireless sensor network base on ZigBee[J].IC Applications，2008（4）：16.

[6]李学海.PIC单片机实用教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.