基于ZigBee的无线温度传感器网络的设计

2009年第28卷第4期 传感器与微系统(Transducer and M icr osyste m Technol ogies)设计与制造基于Zi gBee的无线温度传感器网络的设计3刘外喜1,胡　晓1,唐　冬1,郑　晖1,吉国平2(1.广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;2.中国人民解放军91708部队,广东广州510320)摘　要:介绍了一种由无线传感器节点、网关、控制端构成的无线多点温度传感器网络的设计,阐述了系统的功能、组成以及各部件的主要设计方法。

实验表明:本系统具有低功耗、低成本、精度可编程、可远端控制等特点。

关键词:ZigBee;无线温度传感器;可编程中图分类号:TP216 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2009)04-0069-03D esi gn of w i reless te m pera ture sen sor networkba sed on Z i g Bee technology3L I U W ai2xi1,HU Xiao1,T ANG Dong1,Z HE NG Hui1,J I Cuo2p ing2(1.College of I nfor ma ti on and Electro m echan i ca l Eng i n eer i n g,Guangzhou Un i versity,Guangzhou510006,Ch i n a;2.P LA,91708Un it,Guangzhou510320,Ch i n a)Abstract:A wireless te mperature sens or net w ork,which consists wireless sens or node,gate way and contr ol node,is expounded.The functi on,constituent and main design method of every part of this system is shown.Test resultsshow that this syste m has l ots of advantages,including l ow2power,l ow2cost,p recisi on p r ogra mmable and remotecontr ol.Key words:Zig Bee;wireless te mperature sens or;p r ogra mmable0　引　言在大多数应用中,温度监测是一个长期的过程,同时,温度传感器网络具有大规模布放、数据量小的特点,所以,温度传感器网络需要一个无线、低功耗、低成本、低数据率的解决方案。

I EEE802.15.4是为低功耗、低速率传感器和控制网络设计的无线网络协议栈,Zig Bee是基于I EEE802.15.4协议的技术。

同时,在组网性能上,ZigBee技术可以构造星形网络或者点对点对等网络,可以实现大区域网络覆盖和可扩展网络。

基于以上分析,提出了利用Zig Bee技术实现无线传感器网络的方案,并设计了具体的系统。

1　系统方案系统框图如图1所示[1,2],其中,无线传感器节点负责将DS18B20温度传感器采集到的数据上传至网关,并接收控制端的控制命令。

网关负责将各个节点的数据汇总再通过互联网络上传至控制端,并转发控制端的命令至各节点。

控制端对传感器网络的数据进行监测、统计分析等处理,并根据需要控制远端的传感器。

图1　系统框图F i g1　Block d i a gram of syste m2　无线传感器节点的设计2.1　无线传感器节点的硬件设计无线传感器节点的硬件设计框图如图2所示,主要由3部分组成:由DS18B20温度传感器利用单总线技术组成收稿日期:2008-11-133基金项目:广东省自然科学基金资助项目(7301261)96 传感器与微系统 第28卷传感器网络;CC2420是由Chi pcon 公司基于I EEE 802.15.4协议而开发出来的ZigBee 芯片。

工作在2.4GHz I S M 频段支持16个250kbp s 信道。

CC2420模块负责基于I EEE802.15.4协议的与网关的无线通信;SPCE061A 作为MC U负责控制传感器网络和CC2420无线通信模块。

DS18B20采用了单总线技术(12W I RE BUS ),为了区分不同的器件,厂家为每个器件嵌入一个64位的二进制ROM 代码,标示器件的I D 号。

单片机只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,利用该技术的特点可以构建覆盖大范围的远距离多点温度检测系统[3]。

图2　传感器节点硬件设计示意图F i g 2　Sche ma ti c d i a gram of hardware desi gn of sen sor node2.2　软件设计2.2.1　传感器的软件设计传感器的工作流程如图3所示,当单片机需要针对所有DS18B20可通过“跳过ROM ”命令,可使跟随其后的命令针对所有传感器,之后,再通过“匹配ROM ”逐一地读回每个DS18B20的温度数据。

在流程图中的“是否改变精度”是根据控制端发出的命令来判断。

图3　传感器的工作流程图F i g 3　Flow chart of sen sor2.2.2　无线通信模块的软件设计无线传感器节点和网关中的无线通信模块负责数据的收发。

根据本系统的特点,依照I EEE 802.15.4协议的规定,本系统的数据帧格式简化为表1所示[4]。

发送数据按以下步骤进行:1)将数据按上表的格式存入TX F I F O,数据发送时CC2420会自动在数据的开始处加上前导码(0x00)和帧起始分隔符(0x A7),并用计算的值替换数据尾部的CRC;2)检查CCA 信号,如信道忙,要经过一段“随机”长的时间的等待后才重试;3)执行ST XON 命令寄存器;4)在任何新数据写入TX F I F O 之前确认SF D 信号先变高后变低,并且,已经等待了至少60个时钟周期。

表1　数据帧格式Tab 1　For m of da t a fram e前导码帧起始分隔符(SF D )帧长度目的地址源地址数据净荷帧校验(CRC )4字节1字节1字节1字节1字节4字节2字节3　网关的设计3.1　网关的硬件设计在该系统中,网关是作为TCP /I P 网络到无线网络之间的协议转换接口。

在网关中,SPCE061A 单片机作为MC U 控制CC2420无线通信模块和DM9000以太网控制器模块,硬件设计如图4所示。

图4　网关的硬件设计示意图F i g 4　Schema ti c d i a gram of hardware desi gn of ga teway3.2　网关的软件设计网关的无线通信部分与无线传感器节点中的设计类似;而以太网通信部分的协议采用由Lw I P 移植而来的称为un I P 的一个精简TCP /I P 协议栈,它针对单片机系统的特点进行了优化,用户通过对un I P 各个部分AP I 函数的调用,即可编写自己的应用层协议。

利用T CP /I P 发送数据需要在数据净菏前后增加大约58个字节的头部和尾部,而温度的数据量较小,如果每一次采集的温度都立即通过TCP /I P 数据包发送出去,必将造成传输效率低下,而如果等待太长时间又必将影响温度采集的实时性,所以,为了兼顾传输效率和温度传感的实时性,本系统采用每10个温度数据发送一次,并且,这一数据的个数可以调整。

4　控制端的设计本系统的设计采用的是瘦节点和胖控制端的思想,就是说无线传感器节点和网关只完成有限的基本功能,大部分的控制管理、存储、统计分析功能由控制端来完成,这样做的优点在于可以降低无线传感器节点和网关的能量消耗7第4期 刘外喜,等:基于ZigBee的无线温度传感器网络的设计 以及成本,便于大规模长期的布放。

在控制端发送命令控制传感器节点的采集精度和频率,将节点置于休眠或工作状态,从而最大限度地节省传感器节点的能量,延长工作寿命。

在控制端利用Access数据库软件将传感器网络中各节点的数据存储起来,不仅可以被本地控制端进行统计分析,也可被互联网络的远端用户查询调用和分析。

除此之外,控制端还通过设置权限来管理用户,使得互联网络中的用户只有被授权才能进入系统,提高了系统安全性。

温度采集实验结果如图5所示。

图5　实验结果F i g5　Test results因为DS18B20的转换精度决定了温度转换时间,而温度转换时间又决定了传感器的能量消耗,所以,可以根据实际需要来改变精度,从而尽量减少电池消耗。

DS18B20有4个采集精度,分别为0.5,0.25,0.125, 0.0625℃,分别对应的有效位是9位、10位、11位、12位,转换时间分别为93.75,187.5,375,750m s,分别对DS18B20的Configurati on Register寄存器编程为1FH,3FH,5FH, 7FH。

当在控制端点击图5中4区域内相应精度的按钮,则会向无线传感器节点发出包含上述内容的命令帧,无线传感器节点收到后再通过单片机对Configurati on Register寄存器进行编程。

5　结　论本系统利用ZigBee和嵌入式等技术设计了无线温度传感器网络,实验结果显示:本系统具有低功耗、低成本、精度可编程、可远端控制等特点,任何授权用户都可通过网络使用本系统了解和控制现场的情况。

它为无法铺设有线传感器网络的场所提供了一个采集、监视现场温度的有效方案。

参考文献:[1]　董海涛,屈玉贵,赵保华.ZigBee无线传感器网络平台的设计与实现[J].电子技术应用,2007(12):124-126.[2]　曹玲芝,石　军.无线网络化温度传感系统设计[J].微电子学与计算机,2006,23(3):73-75.[3]　杜吉龙.基于MC68HC908RF2的无线温度传感器[J].半导体技术,2008,33(1):25-29.[4]　I EEE Std802.15.4—2006,W ireless medium access contr ol(MAC)and physical layer(PHY)pecificati ons f or l ow2rate wire2less ers onal area net w orks(W P AN s)[S].作者简介:刘外喜(1976-),男,湖南茶陵人,硕士,讲师,主要研究方向为宽带网络技术。

(上接第65页)常工作。

当辐照剂量达到26krad(Si)时,无线链路的建立仍可执行且蓝牙芯片工作正常。