【文章內(nèi)容簡介】 活動時間，延長它們的“睡眠”時間，但這需要綜合考慮系統(tǒng)響應(yīng)時間、功耗等因素。休眠時間太長，雖可獲得更低的功耗，但勢必降低采樣溫度的實時性。下圖 21 所示為一個基本工作周期T，其中只有 Tl時間段芯 片處于工作狀態(tài)，通過競爭取得信道的使用權(quán)，完成數(shù)據(jù)收發(fā)，剩下的很長時間芯片處于低功耗休眠狀態(tài)。占空比 q=Tl/T 越小，功耗越低 . 圖 方案 1:一定的周期定時醒來后使用一種簡單的非時隙 CSMACA 機制，通過競爭取得信道使用權(quán)，主動向主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，隨后進入休眠。此種方法實現(xiàn)較簡單，工作量小，但當(dāng)從節(jié)點數(shù)量較多時，信道訪問沖突較厲害，因此，這種方法不適用于從節(jié)點數(shù)量很多的情況。 方案 2:通過協(xié)調(diào)器發(fā)送超幀，同 步所有的從設(shè)備，使它們協(xié)調(diào)起來。在超幀活動期，各子設(shè)備使用時隙 CSMACA 算法競爭取得信道使用權(quán)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，在非活動期，統(tǒng)一地進入休眠狀態(tài)。從設(shè)備將在 ZigBee 協(xié)議代碼的控制下，適時跟蹤信標(biāo)，保持與協(xié)調(diào)器的同步。此種機制在從節(jié)點數(shù)量很多的情況下依然能表現(xiàn)出很強的通信效率和低功耗性能，但軟件實現(xiàn)略復(fù)雜，工作量大 。 考慮到論文任務(wù)書只要求做到 2 個從節(jié)點和 1 個主節(jié)點，數(shù)量不多，可使用 CC2430芯片的 sleep Timer，并使芯片工作在 PMZ 模式，方便地實現(xiàn)長時間低功耗睡眠 [18]。故選擇方案 1。分布式 溫度測量系統(tǒng)主要由一臺數(shù)據(jù)集中器 (ZigBee 協(xié)調(diào)器 )、一臺 Pc 機和放置在各處的溫度監(jiān)測節(jié)點 (ZigBee 設(shè)備 )組成。數(shù)據(jù)集中器與各個溫度測量節(jié)點組成一個 ZigBee 星型網(wǎng) 絡(luò) 。 CC2430 芯片的標(biāo)準(zhǔn)通信距離時 50m，溫度節(jié)點放置范圍可在以數(shù)據(jù)集中器為中心 80m 半徑范圍內(nèi)。適當(dāng)?shù)脑龃蟀l(fā)射功率可加大通信距離。增強型 ZigBee模塊有效通信距離可達 1000m。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) ZigBee 無線溫度 溫 度測量系統(tǒng)由上位計算機、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器、 51 單片機以及傳感器組成。如圖 2 圖 23 所示 T1 T 菏澤學(xué)院本 科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 7 圖 22 ZigBee 無線溫度測量系統(tǒng)框圖 該系統(tǒng)通過 溫 度傳感器將土壤 溫 度信號采集出來，模擬信號通過 AD594 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過包括差分放大在內(nèi)的三級放大后（采用差分放大的方法主要是提高測量的精準(zhǔn)度），將數(shù)字信號傳輸給單片機處理。而溫度部分則由 18b20 直接采集傳給單片機。 圖 23 三級放大電路圖 經(jīng)單片機處理的數(shù)字信號，通過 ZigBee 無線收發(fā)模塊進行傳送，與單片機連接在一起的 ZigBee 路由模塊與單片機和傳感器一同組成一個節(jié)點，與 另外 N 個節(jié)點終端共同組成了一個數(shù)據(jù)收發(fā)的網(wǎng)絡(luò)。同時 ZigBee 無線傳感器執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)必須要有一個協(xié)調(diào)器作為整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸與控制中心，并與上位計算機相連 [13]。如圖 24 所示： 計算機 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 節(jié)點 1 ZigBee 路由器 51 單片機 溫度傳感器 溫度傳感器 節(jié)點 2 ZigBee 路由器 51 單片機 溫度傳感器 溫度傳感器 節(jié)點 3 ZigBee 路由器 51 單片機 溫度傳感器 溫度傳感器 菏澤學(xué)院本 科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 8 圖 24 總體電路圖 系統(tǒng)的整體工作過程是：首先由協(xié)調(diào)器節(jié)點成功創(chuàng)建 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，然后等待終端節(jié)點加入。當(dāng)終端節(jié)點及傳感器上電后，會自動查找空間中存在的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，找到后即加入網(wǎng)絡(luò)，并把該節(jié)點的物理地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器把節(jié)點的地址信息等通過串口發(fā)送給計算機進行保存。當(dāng)計算機想要獲取某一節(jié)點處的傳感器值時，只需要向 串口發(fā)送相應(yīng)節(jié)點的物理地址及測量指令。協(xié)調(diào)器通過串口從計算機端收到物理地址后，會向與其相對應(yīng)的傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，傳達傳感器測量指令。傳感器節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，通過傳感器測量數(shù)據(jù)，然后將測量結(jié)果發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并在計算機端進行顯示。 在系統(tǒng)中，節(jié)點上電加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器會通過 RS232 向 PC 機發(fā)送新加入節(jié)點的IEEE 地址。 PC 機將從串口接收到的物理地址和短地址進行存儲，并改變計算機中所存儲的房間地圖中的節(jié)點顏色進行指示。該程序使用 Visual C++ 編寫。 上位機操作主要部分 操作界面 主要包括： 試驗設(shè)置、打開串口 /關(guān)閉串口、開始接收、數(shù)據(jù)分析、曲線分析、查找節(jié)點、單步存儲、退出 8 部分。如圖 25 所示 菏澤學(xué)院本 科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 9 圖 25 操作界面 各部分功能介紹 ㈠ 試驗設(shè)置 (1)⑴ 試驗編號 主要是設(shè)定此次試驗的編號，即試驗代碼，以方便下一次對此次試驗數(shù)據(jù)進行查找與操作。設(shè)置好的試驗代碼可長期跟蹤操作。如圖 26 所示 圖 26 試驗設(shè)置 ⑵ 接收方式 分為單步接收、定時接收、批量接收三種接收方式。 ① 單步接收：鼠標(biāo)點擊“接收數(shù)據(jù)”一次，程序執(zhí)行一次，即數(shù)據(jù)接收一 次。單擊“單步存儲”進行數(shù)據(jù)存儲。 ② 定時接收：由下面的定時時間來設(shè)定時間間隔，即隔多長時間自動進行數(shù)據(jù)的接 菏澤學(xué)院本 科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 10 收。點擊“停止接受”進行數(shù)據(jù)存儲。 ③ 批量接收：主要針對多節(jié)點的大量數(shù)據(jù)接收，默認(rèn)間隔為 1 秒。點擊“停止接受”進行數(shù)據(jù)存儲。 ⑶ 定時時間 只與定時接收相對應(yīng)，當(dāng)定義為其他接收方式時，此欄為灰色。定時時間以分鐘為單位，支持小數(shù)點，最多可設(shè)定 20 個數(shù)字。 當(dāng)基本設(shè)置完成后，單擊“確定”按鈕，回到主界面，單擊“取消”按鈕后依舊回到主界面，但是 此時沒有進行試驗設(shè)置，需要重新設(shè)置。 ㈡ 打開串口／關(guān)閉串口 由鼠標(biāo)左鍵控制切換，當(dāng)串口打開時，主界面顯示為＂關(guān)閉串口＂．當(dāng)沒有連接串口時，會顯示＂串口連接錯誤＂的提示． 注意：當(dāng)準(zhǔn)備接受數(shù)據(jù)進行實驗時，此處狀態(tài)必須為“打開串口”。 ㈢ 開始接收／停止接收 此操作必須在打開串口時方可進行，當(dāng)沒有打開串口時，進行此操作，為顯示出＂請先打開串口，再接收數(shù)據(jù)＂的提示． ㈣ 數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)分析界面包括查詢條件和數(shù)據(jù)顯示兩部分．如圖 27 所示 圖 27 數(shù)據(jù)分析 查詢條件包括： 1) 試驗編號選擇 在下拉菜單里可以選擇一個曾設(shè)置的試驗編號，主要針對＂試驗設(shè)置＂里的＂試驗編號＂，也可以手動輸入要查詢的試驗編號 。 2) 節(jié)點選擇 在下拉菜單里可以選擇一個節(jié)點或者多個節(jié)點 。 此項與＂查找節(jié)點＂界面相關(guān) 。 3) 查詢 上面兩部設(shè)定無誤后，單擊“查詢”，完成對查詢數(shù)據(jù)的相關(guān)顯示。 數(shù)據(jù)顯示包括： 記錄條數(shù) 即為所顯示的數(shù)據(jù)的條數(shù) 溫度均值 即為本次操作所有溫度數(shù)據(jù)的均值 試驗編號 即為所選擇的試驗編號 節(jié)點 顯示此試驗編號的對應(yīng)節(jié)點信息 溫度 顯示此試驗編號下的對應(yīng)節(jié)點的溫度值 試驗時間 顯示此次試驗的時間 (小時、 分 ) 菏澤學(xué)院本 科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 11 實驗日期 顯示此次試驗的日期（年－月－日） 刪除所有記錄 刪除界面所有數(shù)據(jù) 刪除選擇記錄 刪除所選擇的記錄，所選擇的記錄由用戶用手表左鍵單擊一次選擇，若連續(xù)單擊兩次，則會對所單擊的數(shù)據(jù)進行單條的數(shù)據(jù)刪除 若沒有進行接收或者數(shù)據(jù)無法存儲接收，則當(dāng)單擊“數(shù)據(jù)分析”時，會顯示＂數(shù)據(jù)庫連接失敗，無法分析數(shù)據(jù)＂的提示 。 ㈤ 曲線分析 執(zhí)行此操作前，必須設(shè)定一個數(shù)據(jù)庫對分析數(shù)據(jù)進行儲存．如圖 28 所示 圖 28 曲線 分析 1) 試驗編號 即所要分析數(shù)據(jù)的試驗編號。 2) 節(jié)點選擇 選擇要進行曲線分析的節(jié)點。 3) 參數(shù)選擇 可以選擇溫度或者 溫 度作為參數(shù)進行曲線分析。 4) 方式選擇 選擇“單節(jié)點顯示”或“多節(jié)點顯示”。單節(jié)點顯示只會畫出一條曲線，而多節(jié)點顯示時，將會有多條不同顏色的曲線進行顯示。 5) 曲線表度 分為日期、時間、日期＋時間三種顯示方法，對應(yīng)為曲線顯示時的橫坐標(biāo)變化，在此應(yīng)該注意的是，坐標(biāo)的間隔是由所輸入數(shù)據(jù)的多少自行設(shè)定的，即當(dāng)數(shù)據(jù)多時，間隔大，數(shù)據(jù)少時，間隔小。 完成設(shè)定后，點擊“輸出曲線” 即可觀察到所要分析的數(shù)據(jù)形成的曲線。此外，數(shù)據(jù)曲線圖像可以根據(jù)用戶要求進行拉伸。 ㈥ 查找節(jié)點 查找節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點． ㈦ 單步存儲 與＂單步接收＂相對應(yīng)，當(dāng)實驗設(shè)置為單步接受時，需要點擊此按鈕進行數(shù)據(jù)存儲，當(dāng)設(shè)定為其他接收方式時，此欄為灰色． ㈧ 退出 退出操作界面． 對用戶而言，當(dāng)想要獲取傳感器所測量區(qū)域 土壤 的溫 溫 度等情況時，只需要點擊 PC 機所顯示的地圖上相應(yīng)的節(jié)點。程序會調(diào)用已存儲在相應(yīng)位置的傳感器節(jié)點的物理地址，通過串口和 ZigBee 網(wǎng) 絡(luò)向該節(jié)點發(fā)送測量傳感器數(shù)據(jù)的指令，并等待接收傳感器 傳回的溫度，并在 PC 機界面進行顯示。 實驗表明，節(jié)點的功耗較低，每 菏澤學(xué)院本 科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 12 個節(jié)點使用電池供電可以工作 3～ 6 個月，可見應(yīng)用 ZigBee 構(gòu)建 土壤溫度 溫 度 的傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)是可行的。 基于 ZigBee 無線技術(shù)的分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng) ， 主要由 1 臺以 32 位 S3C2410 芯片與CC2420 芯片為核心的溫度數(shù)據(jù)集中器 (ZigBee 協(xié)調(diào)器 )和安裝在各處的溫度監(jiān)測點(ZigBee 設(shè)備 )組成星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 。 溫度監(jiān)測節(jié)點主要由 CC2430 芯片與數(shù)字溫度傳感器DS18B20 組成 ， 溫度集中器通過發(fā)送超幀使各 ZigBee 設(shè)備與它同步 ， 并使各溫度監(jiān)測點周期 性地進入低功耗狀態(tài) ， 以達到降低功耗的目的 .溫度監(jiān)測點將采集的溫度值利用ZigBee 網(wǎng)絡(luò) ， 以無線方式傳輸給溫度集中器 ， 溫度集中器在收到溫度監(jiān)測值后 ， 將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫 ， 并以數(shù)值和曲線的方式在數(shù)據(jù)集中器人機界面上顯示 [12]。 數(shù)據(jù)集中器還可以通過串行或以太網(wǎng)與 PC 機連接傳輸數(shù)據(jù) 。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 29 所示 。 圖 溫度監(jiān)測點的結(jié)構(gòu)較為簡單 ， 是一組 ZigBee 精簡功能節(jié)點 (RFD)， 由 8 路溫度傳感器、射頻收發(fā)芯片和 RS232 串口通 信接口組成 。 溫度監(jiān)測節(jié)點主要完成各監(jiān)測點的溫度測量 ， 并向 FFD 節(jié)點發(fā)送所采集溫度數(shù)據(jù) [16]， 同時預(yù)留 RS232 通信接口 。 具體的電路如圖 210 所示 。 溫度采集點 溫度采集點 PC 溫度采集點 數(shù)據(jù)集中器 溫度采集點 菏澤學(xué)院本 科生畢業(yè)設(shè)計（論文 ） 13 圖 210. 溫度監(jiān)測點硬件電路 射頻收發(fā)芯片使用 CC2430 芯片 ， 該芯片內(nèi)部包括了一個工作頻率為 GHz 的直接序列擴頻方式射頻收發(fā)器和一顆工業(yè)級 8051 控制器 。 CC2430 天線接收的射頻信號經(jīng)過低噪聲放大器和 I/Q 下變頻處理后 ， 中頻信號為 2 MHz。 此混合 I/Q 信號經(jīng)過濾波、放大 ， A/D 變 換 ， 自動增益控制 ， 數(shù)字解調(diào)和解擴 ， 最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù) .發(fā)射部分基于直接上變頻 .要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入 128 字節(jié)的發(fā)送緩存器中 ， 頭幀和起始幀由硬件自動產(chǎn)生 。 根據(jù) IEEE 標(biāo)準(zhǔn) ， 所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流每 4 個比特被 32 碼片的擴頻序列擴頻后 ， 送到 D/A 變換器 ， 再經(jīng)過低通濾波和上變頻混頻后的射頻信號 ， 最終被調(diào)制到 GHz， 并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射 [9]。 由于溫度監(jiān)測的實時性不強 ， 因此在傳輸數(shù)據(jù)過程中選用了超幀周期 ， 以使各溫度監(jiān)測節(jié)點處于低功耗睡眠狀態(tài)的時間較長 ， 并盡量減少工作電能的需求 .分布式溫度 控制系統(tǒng)信標(biāo)選取序號為 14， 對應(yīng)的信標(biāo)周期為 ， 超幀的序號取 0， 對應(yīng)的活動時間為 ms， 每臺 ZigBee 設(shè)備僅使用其中的一個時隙 ， 時間為 ms， 占空比約為 。 溫度監(jiān)測節(jié)點傳感器采用一線器件 DS18B20， 其溫度測量范圍為55125℃ ， 它本身輸出數(shù)字信號 ， 無需外部信號放大調(diào)理電路 .8 路 DS18B20 硬件以串聯(lián) 的方式相連 [18]。 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計 圖 211 為 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件系統(tǒng)總體框圖 [10]，該系統(tǒng)由 CC2430 器件模塊和 無線收發(fā)模塊組成。 CC2430 射頻器件模塊由 CC2430 器件和相關(guān)外圍電路構(gòu)成。雖然 CC2430 內(nèi)部集成有無線收發(fā)器和 8051 內(nèi)核，可以簡化電路設(shè)計，在單片機和無線收發(fā)器之間不加接口電路也能通信，但通信距離有限。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在空曠地面的通信距離是 10100 m，這個距離有時不能滿足應(yīng)用需要。在 CC2430 器件與天線之間加一級接口電路即無線收發(fā)模塊，用來放大接收和發(fā)送信息的功率，從而加大數(shù)據(jù)傳送距離 [12]。 R