【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 備自組織、自愈功能。 IEEE 規(guī)范 作為低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（ LR—WPAN）技術(shù)， Zigbee 協(xié)議棧的物理、 MAC 層即是 協(xié)議。它是具有低復(fù)雜度、應(yīng)用成本小、設(shè)備功耗低等優(yōu)勢(shì)，能在低成本設(shè)備之間進(jìn)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(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 表 主要協(xié)議框架 應(yīng)用層 網(wǎng)絡(luò)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(wù)：管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)。物理層主要完成以下幾項(xiàng)任務(wù)：開(kāi)啟和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)信機(jī)、能量檢測(cè)（ ED）、鏈路質(zhì)量指示（ LQI）、空閑信道評(píng)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(gè)頻段上物理層一共劃分了 27 個(gè)信道，信道編號(hào) k 為 0~26。 2450MHz頻段上劃分了 16 個(gè)信道， 915MHz 頻段上有 10 個(gè)信道， 868MHz 頻段只有 1 個(gè)信道。 27個(gè)信道的中心頻率和對(duì)應(yīng)的信道編號(hào)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(hào)； Fc——頻段（ MHz） 物理層通過(guò)射頻固件和射頻硬件提供了一個(gè)從 MAC 層到物理層無(wú)線信道的接口。在物理層中，包含一個(gè)物理層管理實(shí)體（ PLME），該尸體通過(guò)點(diǎn)用物理層的管理功能函數(shù)，為物理層管理服務(wù)提供其接 口，同時(shí)，還負(fù)責(zé)維護(hù)由物理層所管理的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)包含有物理層個(gè)域網(wǎng)絡(luò)的基本信息。物理層的接口結(jié)構(gòu)如 圖 所示 。 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 圖 物理層接口結(jié)構(gòu) MAC 層規(guī)范 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制子層（ LLC）和介質(zhì)接入控制子層（ MAC）。 MAC 子層提供兩種服務(wù)： MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)和 MAC 層管理服務(wù)（ 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(wù)中的正確收發(fā)，后者維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ) MAC 子層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信 息的數(shù)據(jù)庫(kù)。 MAC 子層主要負(fù)責(zé)以下幾項(xiàng)任務(wù)：協(xié)調(diào)器產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；信標(biāo)同步；支持 PAN 關(guān)聯(lián)和解關(guān)聯(lián)； CSMA—CA信道訪問(wèn)機(jī)制；處理和維護(hù)保證時(shí)隙（ GTS）機(jī)制；在兩個(gè)對(duì)等 MAC 實(shí)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(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(hào)和地址信息。 (2)MAC 凈載荷子域 (動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度 )，幀的類型是由包含在其內(nèi)部的信息來(lái)確定的。凈載荷子域不包含在應(yīng)答信號(hào)幀內(nèi)。 (3)MAC，其中含有單個(gè)幀校驗(yàn)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(hào) 目的 PAN標(biāo)示符 目的地址 源 PAN 標(biāo)示符 源地址 幀凈載荷 FCS 地址域 MHR MAC凈載荷 MFR 無(wú)線溫度采集系統(tǒng)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置由單個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與 N 個(gè)終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的所有終端溫度采集設(shè)備都只能夠和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的雙向通信，為了實(shí)現(xiàn)該功能，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)需要保存 N 個(gè)終端數(shù)據(jù)采集節(jié) 點(diǎn)的 16 位網(wǎng)絡(luò)短地址，這就要求每個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)請(qǐng)求得到允許以后，把 16 位網(wǎng)絡(luò)短地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立地址表，以滿足用戶對(duì)于特定區(qū)域采集數(shù)據(jù)的需求。低速率無(wú)線個(gè)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(zhǎng)為 127 個(gè)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(guò)程里我們?cè)O(shè)置了 ACK 標(biāo)志位為 1 的幀，以此作為應(yīng)答傳輸機(jī)制的信號(hào)幀，假如在規(guī)定時(shí)間里仍然沒(méi)有收到反饋回來(lái)的應(yīng)答信號(hào)，就說(shuō)明終端溫度采集節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)異常。 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 第 3 章 溫度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 無(wú)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(cè)過(guò)程受限的缺點(diǎn)。而基于 Zigbee 的這種短距離無(wú)線通信系統(tǒng)以其低功耗、高性價(jià)比，系統(tǒng)安裝維護(hù)便捷，而且該系統(tǒng)擁有擺脫數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)過(guò)程上空間限制，可應(yīng)用到更多場(chǎng)合中。 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) 無(wú)線傳感器溫度采集系統(tǒng)主要由 PC 機(jī)、 ZigBee 協(xié)調(diào)器和放置在各處的溫濕度采集節(jié)點(diǎn) ——ZigBee 終端設(shè)備組成。協(xié)調(diào)器自動(dòng)組網(wǎng)傳感器終端節(jié)點(diǎn)自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)化，僅由一個(gè) CC2530 模塊，F(xiàn)lash 存儲(chǔ)和數(shù)字 SHT10 溫度傳感器組成，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)被初始化為無(wú) 信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備。終端設(shè)備上電復(fù)位后，便啟動(dòng)搜索指定信道上的 PAN 協(xié)調(diào)器，并發(fā)送連接請(qǐng)求，終端設(shè)備在成功入網(wǎng)后，啟動(dòng)休眠定時(shí)器，間隔 10 秒鐘喚醒一次，醒來(lái)后使用一種簡(jiǎn)單的非時(shí)隙 CSMACA，通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制取得信道使用權(quán)，通過(guò)PC 機(jī)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)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(diào)器節(jié)點(diǎn)，而后立即再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，以達(dá)到最少能耗來(lái)延長(zhǎng)電源續(xù)航時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)搜集各溫度采集節(jié)點(diǎn)的信息，并將信息快速的通過(guò) RS232 串口按事先定義好的格式上傳 PC 機(jī)，隨即解析并顯示 出來(lái)。上位機(jī)監(jiān)控界面可以用來(lái)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(guò)讀取所有溫度采集節(jié)點(diǎn)的地址以及它們的溫度數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)判溫度走勢(shì)。 圖 示例了Zigbee 系統(tǒng)的組網(wǎng)模式。 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖 Zigbee系統(tǒng)傳感網(wǎng)例圖 該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的功能主要是協(xié)調(diào)器自啟動(dòng) (組網(wǎng) )，節(jié)點(diǎn)設(shè)備自動(dòng)入網(wǎng)。之后兩者建立無(wú)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(shí)發(fā)送信息 (本次實(shí)驗(yàn)采用該方法測(cè)試 )，另一種需要通過(guò)按鍵事件觸發(fā)發(fā)送 FLASH 信息。由于實(shí)驗(yàn)配套 ZIGBEE 模塊硬件上與 TI公司的 ZIGBEE 樣板有差異，因此本次實(shí)驗(yàn) 沒(méi)有采用按鍵觸發(fā)方式。而是采用周期定時(shí)廣播的方式來(lái)發(fā)送 ZIGBEE 節(jié)點(diǎn)端采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件平臺(tái) 無(wú)線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)如 圖 所示，由于終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊介紹該模塊上的各個(gè)主要的電路部分設(shè)計(jì)。 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 圖 系 統(tǒng)硬件平臺(tái) 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(biāo)準(zhǔn)的片上 ZigBee產(chǎn)品。 CC2530 采用 Chip公司最新的 SmaitRF03 技術(shù)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(qiáng)型805lMCU、 32/64/128kB 的 Flash內(nèi)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(shí)為 27mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)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?yàn)檫B接非平衡變壓器可使天線性能更好。 CC2530 無(wú)線單片機(jī)在待機(jī)時(shí)的電流消耗僅基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 ，在 32kHz晶體時(shí)鐘下運(yùn)行時(shí)的電流消耗小于 1μA。因此，使用小型電池壽命可以長(zhǎng)達(dá) 10 年 [13]。 通信模塊電路設(shè)計(jì) 由于 CC2530 芯片的高集成度，設(shè)計(jì) 通信模塊的外圍電路時(shí)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(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 在硬件設(shè)計(jì)上它采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的 12 個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期降到1 個(gè)，因此指令執(zhí)行速度有很大的提高。具有 64 個(gè) I/O 引腳 ,每個(gè)端口都可以配置成推挽或漏極開(kāi)路輸出，可以滿足本系統(tǒng) IO 口需要。該芯片除了具有標(biāo)準(zhǔn) 8051的數(shù)字外設(shè)之外，片內(nèi)還集成了許多有用的模擬和數(shù)字外設(shè)及功能部件，如模擬多路開(kāi)關(guān)、可 編程增益放大器、 ADC、 DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、看門狗定時(shí)器等 ,支持在系統(tǒng)編程和調(diào)試等，本系統(tǒng)主控單元由單片機(jī)與CC2530 共同完成數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、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(jī)，由于上位工控機(jī)與 CC2530 的電平不一致，所以需要一個(gè)MAX232 電平轉(zhuǎn)換電路 [8]。 該節(jié)點(diǎn)由無(wú)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(dòng)的，用于 RF 口最合適的差動(dòng)負(fù)載是(115+j180)Ω。當(dāng)使用不平衡天線 (例如單極天線 )時(shí)，為了優(yōu)化性能，應(yīng)當(dāng)使用不平衡變壓器。不平衡變壓器可以運(yùn)行在使用低成本的單獨(dú)電感器和電容器的場(chǎng)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(shí)接 32MHz 和 的兩種頻率的晶振電路，以滿足不同的要求。外設(shè)與 CC2530 的連接非常簡(jiǎn)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(hào)，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(gòu)成多路溫度測(cè)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(jìn)行控制。其電路原理圖如 圖 所示 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 圖 溫濕度傳感器硬件接口電路 ZIGBEE(CC2530)模塊硬件上設(shè)計(jì)有 2 個(gè) LED 燈，用來(lái)編程調(diào)試使用。分別連接 CC2530 的 P1_0、 P、 1_1 兩個(gè) IO引腳。從原理圖上可以看出， 2 個(gè) LED 燈共陽(yáng)極，當(dāng) P1_0、 P1_1 引腳為低電平時(shí)候， LED 燈點(diǎn)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(shí)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(yīng)引腳進(jìn)行輸入輸出控制模擬該傳感器時(shí)序，來(lái)監(jiān)測(cè)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(biāo)定的數(shù)字輸出。它采用專利的 CMOSens 技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。 SHT10 引腳特性如下 ： 基于 Zigbee 技術(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 ， GNDSHT10 的供電電壓為 ~。傳感器上電后，要 等待 11ms以越過(guò) ―休眠 ‖狀態(tài)。在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。電源引腳（ VDD， GND）之間可增加一個(gè) 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(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在 SCK 時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在 SCK 時(shí)鐘高電平時(shí)， DATA 必須保持穩(wěn)定。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng) DATA 在低電平。需要一個(gè)外部的上拉電阻（例如： 10kΩ）將信號(hào)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(shù)的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 第 4 章 溫度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件平臺(tái)概述 本系統(tǒng)所用的開(kāi)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(lái)構(gòu)建，采用事件輪詢機(jī)制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，喚醒系統(tǒng)，開(kāi)始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式，如果同時(shí)有幾個(gè)事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級(jí)，逐次處理事件。整個(gè) Z—Stack的主要工作流程，大致分為系 統(tǒng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)初