摘  要： 詳細闡述了ZigBee技術及其應用，提出了一種基于ZigBee技術的無線溫度采集系統(tǒng)的方案。針對所提方案設計了系統(tǒng)的硬件電路及相關軟件，并通過實驗證明了方案的可行性及正確性。
關鍵詞： ZigBee；DS18B20；CC2430；2.4 GHz

　　在人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活中，經(jīng)常需要通過傳感器將一些物理量，如溫度、濕度、光照度等非電量轉(zhuǎn)變成電量，然后通過傳輸線傳輸?shù)街鳈C進行數(shù)據(jù)處理，再產(chǎn)生相應的控制信號。工業(yè)中的傳輸線通常采用的是現(xiàn)場總線，如CAN總線等。但是在一些場合采用這種有線介質(zhì)作為傳輸線并不是最理想的方案。比如一個大型糧倉或蔬菜大棚要實現(xiàn)多點的溫度采集時，按照有線傳輸方案需要從各個傳感器節(jié)點連接很多且復雜的傳輸線到主機，蔬菜大棚需要保持一定的溫濕度，長期下來會對傳輸線造成腐蝕、損壞，從而影響整個系統(tǒng)的正常工作。此外，多點溫度采集系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不大，且對數(shù)據(jù)傳輸速率的要求也不高，所以在這種情況下采用無線方式進行信號的采集傳輸是十分理想的。
　　當前主要的無線技術有WiFi、Bluetooth、UWB、NFC以及紅外等。采用紅外技術應用于傳感器裝置上的缺陷是：要求傳輸雙方必須在可見范圍內(nèi)而且是定向傳輸，中間不能有障礙物否則會影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。而其他無線技術的主要問題是開發(fā)成本過高，適用面較窄。
　　ZigBee是一種短距離、架構(gòu)簡單、低功耗和低傳輸速率的無線通信技術，工作頻率為2.4 GHz免費頻段，其傳輸距離一般在幾十米范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 Kb/s。ZigBee可以基于協(xié)議棧組成網(wǎng)絡實現(xiàn)各個節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，并采用了碰撞避免機制，信息在整個ZigBee網(wǎng)絡中通過自動路由的方式進行傳輸，保證了信息的安全性。Zigee技術既解決了傳輸?shù)目煽啃詥栴}，又因為其傳輸功耗低，傳輸采用免費頻段等因素，使其降低了成本[1]。
1 系統(tǒng)方案
　　當系統(tǒng)組成1個ZigBee網(wǎng)絡時，根據(jù)實際情況來確定網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)關系到網(wǎng)絡成本、網(wǎng)絡維護的難易、網(wǎng)絡可靠性以及網(wǎng)絡穩(wěn)定性。ZigBee基本的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)有如下幾種：星型網(wǎng)絡、樹型網(wǎng)絡以及網(wǎng)型網(wǎng)絡[1-3]。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　網(wǎng)絡中存在3種類型的節(jié)點：子節(jié)點(RFD)、路由節(jié)點(FFD)、主節(jié)點(COORDINATOR)。子節(jié)點與傳感器連接，散布在現(xiàn)場中，主要作用是采集信號并傳輸；路由節(jié)點的作用是擴展網(wǎng)絡深度與廣度，星型網(wǎng)絡中若對網(wǎng)絡深度廣度要求不高，可以省略路由節(jié)點；主節(jié)點與上位監(jiān)控PC機連接，主要作用是建立網(wǎng)絡，處理各個子節(jié)點及路由節(jié)點發(fā)送的信息，相當于有線網(wǎng)絡中的服務器[2-3]。
　　本文采用了星型拓撲結(jié)構(gòu)設計了一種基于無線ZigBee技術的溫度系統(tǒng)，系統(tǒng)總體方案框圖如圖2所示。

　　系統(tǒng)的工作過程為：主節(jié)點先建立網(wǎng)絡，等待各自節(jié)點的加入；子節(jié)點加入網(wǎng)絡后，把溫度傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)打包并攜帶自己的地址通過無線形式傳輸給主節(jié)點；主節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后進行數(shù)據(jù)處理，并將溫度信息以及子節(jié)點地址等有效信息存儲并顯示在監(jiān)控界面上。
2 硬件設計
　　系統(tǒng)采用Chipcon公司的CC2430芯片，CC2430是一款片上系統(tǒng)芯片，內(nèi)部帶有豐富的系統(tǒng)資源，只需要很少的外圍部件就能實現(xiàn)接收或發(fā)送信號功能[2，4]。系統(tǒng)的傳感器采用DS18B20型溫度傳感器。DS18B20數(shù)字溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的1－Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點[5]。系統(tǒng)的硬件電路圖如圖3、圖4所示。

    圖3所示是由CC2430芯片及一些外圍器件組成的ZigBee節(jié)點的典型電路，子節(jié)點與主節(jié)點均采用了這種電路結(jié)構(gòu)。主節(jié)點是由CC2430電路和1個MAX3232接口電路組成，MAX3232接口電路是為了實現(xiàn)主節(jié)點與上位監(jiān)控PC機之間的通信；子節(jié)點是由CC2430電路和DS18B20溫度傳感器組成，實現(xiàn)各點溫度的采集；由于本采集系統(tǒng)工作的范圍不大，所以沒有設計路由節(jié)點。ZigBee節(jié)點的實物圖如圖5所示，中間為CC2430，前端為一個PCB天線。

3 軟件設計
    系統(tǒng)中的主節(jié)點和子節(jié)點在硬件結(jié)構(gòu)上差異并不大，主要是通過程序的編寫實現(xiàn)主子節(jié)點各自不同的功能。程序主要分為主節(jié)點程序和子節(jié)點程序。主節(jié)點首先形成網(wǎng)絡等待各個子節(jié)點的加入，網(wǎng)絡形成后接收來自各子節(jié)點的數(shù)據(jù)并加以處理，再與上位PC機進行通信；子節(jié)點上電后尋找可加入的網(wǎng)絡，成功加入后開始采集溫度，并將溫度信息以及自身網(wǎng)絡地址打包并通過無線形式傳給主節(jié)點，實現(xiàn)星型無線網(wǎng)絡的功能。部分重要程序段如下，并對無線網(wǎng)絡的形成及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ軐崿F(xiàn)加以解釋說明。
　　# ifdef COORDINATOR    //若節(jié)點定義為COORDINATOR
　　aplFormNetwork()；               //格式化1個新網(wǎng)絡
　　while(apsBusy()){apsFSM()；}               //延時等待
　　conPrintROMString(“Network formed，waiting for RX\n”)；
　　Print(“Network formed!”)；           //顯示網(wǎng)絡形成
　　Print(“ZigBee COORDINATOR”)；
　　Print(“Waiting for nodes”）
　　# else    //若不是COORDINATOR則認為是RFD節(jié)點
　　do
　　{aplJoinNEtwork()；                  //加入網(wǎng)絡函數(shù)
   　While(apsBusy()) {apsFSM()；}         //等待加入網(wǎng)絡
　   if(aplGetStatus()==STATUS_SUCCESS)
   　{
      conPrintROMString(“Network Join succeeded!/n”)；
      conPrintROMString(“My ShortAddress is:”)；
      conPrintUINT16(aplGetMyShortAddress())；
                                   //串口輸出網(wǎng)絡地址
      conPrintLADDR(aplGetParentLongAddress())；
                                   //串口輸出物理地址
      　　}
      　　else
      　　{
      　　conPrintROMString(“Network Join Failed!Waiting， then try again”)；
      　　}
      　　# endif
      　　# ifdef RFD                       //子節(jié)點函數(shù)
      　    {
　　 dstADDR.saddr=0；
　　                                           //RFD發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址為網(wǎng)絡主節(jié)點
　　 aplSendMSG(APS_DSTMODE_SHORT，
　　 &dstADDR，                             //目的地址
       &payload[0]，                             //數(shù)據(jù)存儲區(qū)
       apsGenTSN()，
       FALSE)；                          //無需APS層應答
       }
       #endif
　　通過比較ZigBee以及其他幾種無線傳輸方式的優(yōu)缺點，本文提出了基于ZigBee技術的無線溫度采集系統(tǒng)的整體方案，并設計實現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件電路及相應程序。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸準確性高，能夠達到預期所設想的目標。
參考文獻
[1] IEEE 802.15.4 standard specification， standards. IEEE. org/getieee802/.
[2] 李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡技入門與實踐[M].北京：北京航空航天出版社，2007.
[3] 夏蕓.CC1010芯片在無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計中的應用[J].計算機與自動化技術，2005，31(5).
[4] Chipcon Products from Texas Instruments. CC2430 Datasheet.
[5] DS18B20 Programmable Resolution Wire Digital Termometer. www. dalsemi. com.