【文章內容簡介】 備自組織、自愈功能。 IEEE 規(guī)范 作為低速無線個域網(wǎng)（ LR—WPAN）技術， Zigbee 協(xié)議棧的物理、 MAC 層即是 協(xié)議。它是具有低復雜度、應用成本小、設備功耗低等優(yōu)勢，能在低成本設備之間進行低速率信息傳輸規(guī)范。 表 是 的主要協(xié)議框架 。 基于 Zigbee 技術的溫度采集系統(tǒng)設計 10 表 主要協(xié)議框架 應用層 網(wǎng)絡層 數(shù)據(jù)鏈路層 MAC 層 868/915 PHY 層 PHY 層 物理層規(guī)范 物理層 (PHY)給出了兩種類型的服務：管理服務和數(shù)據(jù)服務。物理層主要完成以下幾項任務：開啟和關閉無線收發(fā)信機、能量檢測（ ED）、鏈路質量指示（ LQI）、空閑信道評估（ CCA）、信道選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。 物理層定義了 868MHz、 915MHz 和 。在這三個頻段上物理層一共劃分了 27 個信道，信道編號 k 為 0~26。 2450MHz頻段上劃分了 16 個信道， 915MHz 頻段上有 10 個信道， 868MHz 頻段只有 1 個信道。 27個信道的中心頻率和對應的信道編號定義 如公式（ ）所示。 1 1 , 1 2 . . . 2 6k 11k2409F1 , 2 . . . 1 0k 1k2906 0k c ????????）（）（ccFF () 其中 k——信道號； Fc——頻段（ MHz） 物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個從 MAC 層到物理層無線信道的接口。在物理層中，包含一個物理層管理實體（ PLME），該尸體通過點用物理層的管理功能函數(shù)，為物理層管理服務提供其接 口，同時，還負責維護由物理層所管理的目標數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫包含有物理層個域網(wǎng)絡的基本信息。物理層的接口結構如 圖 所示 。 基于 Zigbee 技術的溫度采集系統(tǒng)設計 11 圖 物理層接口結構 MAC 層規(guī)范 IEEE 標準把數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制子層（ LLC）和介質接入控制子層（ MAC）。 MAC 子層提供兩種服務： MAC 層數(shù)據(jù)服務和 MAC 層管理服務（ MAC sublayer management entity,MLME）。前者保證 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中的正確收發(fā)，后者維護一個存儲 MAC 子層協(xié)議狀態(tài)相關信 息的數(shù)據(jù)庫。 MAC 子層主要負責以下幾項任務：協(xié)調器產(chǎn)生網(wǎng)絡信標；信標同步；支持 PAN 關聯(lián)和解關聯(lián)； CSMA—CA信道訪問機制；處理和維護保證時隙（ GTS）機制；在兩個對等 MAC 實體間提供可靠鏈路。 MAC 層參考模型如 圖 所示。 圖 MAC 層參考模型 基于 Zigbee 技術的溫度采集系統(tǒng)設計 12 MAC 幀的基本組成部分 如表 所示。 (1)MAC 幀頭 MHR，它包含幀控制域、序列號和地址信息。 (2)MAC 凈載荷子域 (動態(tài)長度 )，幀的類型是由包含在其內部的信息來確定的。凈載荷子域不包含在應答信號幀內。 (3)MAC，其中含有單個幀校驗的序列 (FCS)。 表 MAC 幀格式 2byte 1byte 0/2/8byte 0/2byte 0/2/8byte 0/2/8byte 可變 2/byte 幀控制 序列號 目的 PAN標示符 目的地址 源 PAN 標示符 源地址 幀凈載荷 FCS 地址域 MHR MAC凈載荷 MFR 無線溫度采集系統(tǒng)的整個網(wǎng)絡配置由單個協(xié)調器節(jié)點與 N 個終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點構成，在星形拓撲結構的網(wǎng)絡內部的所有終端溫度采集設備都只能夠和協(xié)調器節(jié)點進行對應的雙向通信，為了實現(xiàn)該功能，協(xié)調器節(jié)點需要保存 N 個終端數(shù)據(jù)采集節(jié) 點的 16 位網(wǎng)絡短地址，這就要求每個終端設備節(jié)點在入網(wǎng)請求得到允許以后，把 16 位網(wǎng)絡短地址發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點建立地址表，以滿足用戶對于特定區(qū)域采集數(shù)據(jù)的需求。低速率無線個人局域網(wǎng)的物理層和媒體接入控制協(xié)議 MAC 數(shù)據(jù)包最長為 127 個字節(jié)，所有的數(shù)據(jù)包的信息組成都是由 16CRC 值以及頭字節(jié)組成，在數(shù)據(jù)傳輸過程里我們設置了 ACK 標志位為 1 的幀，以此作為應答傳輸機制的信號幀，假如在規(guī)定時間里仍然沒有收到反饋回來的應答信號，就說明終端溫度采集節(jié)點出現(xiàn)異常。 基于 Zigbee 技術的溫度采集系統(tǒng)設計 13 第 3 章 溫度采集系統(tǒng)的硬件設計 無線溫度采集系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)有 線的溫度傳感系統(tǒng)布線繁瑣，監(jiān)測過程受限的缺點。而基于 Zigbee 的這種短距離無線通信系統(tǒng)以其低功耗、高性價比，系統(tǒng)安裝維護便捷，而且該系統(tǒng)擁有擺脫數(shù)據(jù)采集監(jiān)測過程上空間限制，可應用到更多場合中。 系統(tǒng)整體設計 無線傳感器溫度采集系統(tǒng)主要由 PC 機、 ZigBee 協(xié)調器和放置在各處的溫濕度采集節(jié)點 ——ZigBee 終端設備組成。協(xié)調器自動組網(wǎng)傳感器終端節(jié)點自動聯(lián)網(wǎng)構建星形拓撲網(wǎng)絡。終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點的結構較為簡化，僅由一個 CC2530 模塊，F(xiàn)lash 存儲和數(shù)字 SHT10 溫度傳感器組成，各個終端節(jié)點被初始化為無 信標網(wǎng)絡中的終端設備。終端設備上電復位后，便啟動搜索指定信道上的 PAN 協(xié)調器，并發(fā)送連接請求，終端設備在成功入網(wǎng)后，啟動休眠定時器，間隔 10 秒鐘喚醒一次，醒來后使用一種簡單的非時隙 CSMACA，通過競爭機制取得信道使用權，通過PC 機向協(xié)調器節(jié)點發(fā)送請求數(shù)據(jù) [20]。利用模塊上的溫度傳感器模塊采集環(huán)境溫度，并上傳給協(xié)調器節(jié)點，而后立即再次進入休眠狀態(tài)，以達到最少能耗來延長電源續(xù)航時間，網(wǎng)絡中的協(xié)調器節(jié)點負責搜集各溫度采集節(jié)點的信息，并將信息快速的通過 RS232 串口按事先定義好的格式上傳 PC 機，隨即解析并顯示 出來。上位機監(jiān)控界面可以用來監(jiān)控溫度傳感器模塊的工作狀態(tài)，在監(jiān)控界面上通過讀取所有溫度采集節(jié)點的地址以及它們的溫度數(shù)據(jù)來預判溫度走勢。 圖 示例了Zigbee 系統(tǒng)的組網(wǎng)模式。 基于 Zigbee 技術的溫度采集系統(tǒng)設計 14 圖 Zigbee系統(tǒng)傳感網(wǎng)例圖 該實驗實現(xiàn)的功能主要是協(xié)調器自啟動 (組網(wǎng) )，節(jié)點設備自動入網(wǎng)。之后兩者建立無線通訊，數(shù)據(jù)的發(fā)送主要有 2 種方式，一種為周期定時發(fā)送信息 (本次實驗采用該方法測試 )，另一種需要通過按鍵事件觸發(fā)發(fā)送 FLASH 信息。由于實驗配套 ZIGBEE 模塊硬件上與 TI公司的 ZIGBEE 樣板有差異，因此本次實驗 沒有采用按鍵觸發(fā)方式。而是采用周期定時廣播的方式來發(fā)送 ZIGBEE 節(jié)點端采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。 硬件設計 系統(tǒng)硬件平臺 無線溫度傳感網(wǎng)絡的硬件平臺如 圖 所示，由于終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點與協(xié)調器節(jié)點僅僅在傳感器模塊跟串口通信模塊上的差別，所以這里拿出協(xié)調器節(jié)點模塊介紹該模塊上的各個主要的電路部分設計。 基于 Zigbee 技術的溫度采集系統(tǒng)設計 15 圖 系 統(tǒng)硬件平臺 ZigBee 通信模塊 ZigBee 通信模塊采用德州儀器（ Texas Instrument）公司的 CC2530 通信芯片。CC2530 是挪威 Chipcon公司的一款真正符合 IEEE802． 15． 4 標準的片上 ZigBee產(chǎn)品。 CC2530 采用 Chip公司最新的 SmaitRF03 技術和 造，采用 77 mmQLP48 封裝。該芯片除了包括 RF 收發(fā)器外，還集成了加強型805lMCU、 32/64/128kB 的 Flash內存、 8KB 的 RAM、 ADC、 DMA 和看門狗等。CC2530 工作在 ，采用低電壓 (～ )供電，且功耗很低 (接收數(shù)據(jù)時為 27mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時為 25mA)、靈敏度高 (97dBm)、最大輸出為 24dBm、最大傳送速率為 250kb/s。 CC2530 的外圍元件數(shù)目很少，它使用非平衡天線，因為連接非平衡變壓器可使天線性能更好。 CC2530 無線單片機在待機時的電流消耗僅基于 Zigbee 技術的溫度采集系統(tǒng)設計 16 ，在 32kHz晶體時鐘下運行時的電流消耗小于 1μA。因此，使用小型電池壽命可以長達 10 年 [13]。 通信模塊電路設計 由于 CC2530 芯片的高集成度，設計 通信模塊的外圍電路時僅需少量外圍元件即可完成數(shù)據(jù)處理和傳輸功能，可顯著降低系統(tǒng)成本。 圖 出了 CC2530 芯片的外圍電路，主要由電源模塊、晶振電路、天線電路等部分組成。 圖 CC2530芯片外圍電路 基于 Zigbee 技術的溫度采集系統(tǒng)設計 17 在硬件設計上它采用流水線結構，機器周期由標準的 12 個系統(tǒng)時鐘周期降到1 個，因此指令執(zhí)行速度有很大的提高。具有 64 個 I/O 引腳 ,每個端口都可以配置成推挽或漏極開路輸出，可以滿足本系統(tǒng) IO 口需要。該芯片除了具有標準 8051的數(shù)字外設之外，片內還集成了許多有用的模擬和數(shù)字外設及功能部件，如模擬多路開關、可 編程增益放大器、 ADC、 DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、看門狗定時器等 ,支持在系統(tǒng)編程和調試等，本系統(tǒng)主控單元由單片機與CC2530 共同完成數(shù)據(jù)的收集、存儲、顯示。串口電路用于 CC2530 將接收到的數(shù)據(jù)傳送給上位工控機，由于上位工控機與 CC2530 的電平不一致，所以需要一個MAX232 電平轉換電路 [8]。 該節(jié)點由無線收發(fā)器 CC25射頻天線 RF、電源模塊、晶振電路和串口電路組成。 RF 的輸入 /輸出是高阻和差動的，用于 RF 口最合適的差動負載是(115+j180)Ω。當使用不平衡天線 (例如單極天線 )時，為了優(yōu)化性能，應當使用不平衡變壓器。不平衡變壓器可以運行在使用低成本的單獨電感器和電容器的場合。電源模塊用于 CC2530 的數(shù)字 I/O 和部分模擬 I/O 的供電，供電電壓為 ～ 。CC2530 可以同時接 32MHz 和 的兩種頻率的晶振電路，以滿足不同的要求。外設與 CC2530 的連接非常簡單，僅需一根接口線，接口十分方便。由于每片 DSl8820 均有唯一的產(chǎn)品序列號，所以允許在單總線上掛接數(shù)十至上百片數(shù)字式傳感器，并可以非常方便地構成多路溫度測量系統(tǒng)。 溫濕度數(shù)據(jù)采集原理 溫濕 度探頭直接使用 IIC 接口進行控制。其電路原理圖如 圖 所示 基于 Zigbee 技術的溫度采集系統(tǒng)設計 18 圖 溫濕度傳感器硬件接口電路 ZIGBEE(CC2530)模塊硬件上設計有 2 個 LED 燈，用來編程調試使用。分別連接 CC2530 的 P1_0、 P、 1_1 兩個 IO引腳。從原理圖上可以看出， 2 個 LED 燈共陽極，當 P1_0、 P1_1 引腳為低電平時候， LED 燈點亮。 系統(tǒng)配套的溫濕度傳感器，與 ZIGBEE 模塊的 J5 排線相連，這樣我們可以知道，溫濕度傳感器模塊的時鐘線與 ZIGBEE 模塊的 P0_0 IO 引腳相連，溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)線與 P0_1 IO 引腳相連。因此我們需要在代碼中將相應引腳進行輸入輸出控制模擬該傳感器時序，來監(jiān)測溫濕度傳感器狀態(tài)。 溫濕度傳感器 SHT10 SHT10 是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標定的數(shù)字輸出。它采用專利的 CMOSens 技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與 14 位的 A/D 轉換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。 SHT10 引腳特性如下 ： 基于 Zigbee 技術的溫度采集系統(tǒng)設計 19 ， GNDSHT10 的供電電壓為 ~。傳感器上電后，要 等待 11ms以越過 ―休眠 ‖狀態(tài)。在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（ VDD， GND）之間可增加一個 100nF 的電容，用以去耦濾波。 用于微處理器與 SHT10 之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小 SCK 頻率。 3. DATA 三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。 DATA 在 SCK 時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在 SCK 時鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在 SCK 時鐘高電平時， DATA 必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，微處理器應驅動 DATA 在低電平。需要一個外部的上拉電阻（例如： 10kΩ）將信號提拉至高電平。 上拉電阻通常已包含在微處理器的 I/O 電路中 [26]。 基于 Zigbee 技術的溫度采集系統(tǒng)設計 20 第 4 章 溫度采集系統(tǒng)的軟件設計 系統(tǒng)軟件平臺概述 本系統(tǒng)所用的開發(fā)環(huán)境是 ，采用的協(xié)議棧為 TI 的ZSTACK—— 協(xié)議棧。 Z—Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構建，采用事件輪詢機制，當各層初始化之后，系統(tǒng)進入低功耗模式，當事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進入中斷處理事件，結束后繼續(xù)進入低功耗模式，如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。整個 Z—Stack的主要工作流程，大致分為系 統(tǒng)啟動，驅動初