基于ZigBee的无线农田温度采集监测系统设计

2013-09-06徐磊，李滨

森林工程 2013年3期

徐磊，李滨

(东北林业大学机电工程学院，哈尔滨 150040)

21世纪的农业是新型农业，精准农业是世界农业发展的新潮流，今后农业的可持续发展必须要以这样的先进技术作为基础。由放置在试验范围内的低成本微型传感器节点组成，采用无线通信方式形成的无线传感器网络 (Wireless Sensor Network，WSN)技术就是其中的一种，这种网络具有自组织的多跳的结构，系统采用这种技术对指定区域中的对象的信息同时进行采集和处理，并最终传送给客户端［1－2］。

ZigBee技术是一种以IEEE802.15.4标准为基础的低功耗无线网络技术。本文选用了其内部集成了8051单片机，而且具有线路简单，使用方便，并且适用于ZigBee技术等特点的CC2430芯片来搭建无线传感器网络。

本文设计了一种适用于ZigBee技术的无线温度采集监测系统，系统选用DS18B20对温度进行采集，然后通过由CC2430和ATMEGA16位单片机组成的模块进行传输，并通过串口通信RS232传送给数据处理与监测终端进行相关的处理和监测，进而使用户可以实时地在互联网的任意位置对温度进行监控［3］。

1 系统架构

ZigBee是一种低成本、速率低、功耗低、距离短的无线传感器网络技术，其工作频段为2.4GHz，是以IEEE 802.15.4技术物理层和数据链路层的标准为基础，并对其进行完善和补充之后而制定的［4］。ZigBee技术是一种短距离无线通信技术，在环境监测、智能化控制及无线控制等各技术范畴有很广泛的应用。随着网络技术的发展，它在很多领域逐步取代了有线技术。因为它不仅支持静态固定拓扑的无线网络技术，而且也支持动态变化拓扑的无线网络。ZigBee技术在计算机网络中的应用成功地填补了低成本、低速率和低功耗无线通信市场的技术空白，它可以进行灵活的软硬件开发，也有高效的组网方法［5］。

本文所设计的以ZigBee技术为基础的无线传感器网络系统的理论依据是其各节点的硬件与软件设计原理，其中终端温度采集节点的实现是选用了CC2430芯片作为核心部件来进行搭建的，同时，此系统是一个低功耗温度采集及传输系统，并通过与掌上智能PDA及上位机进行连接，从而实现了一个实时的温度采集与监控系统［6－8］。

图1 系统结构Fig.1 System structure

2 节点硬件设计

节点硬件包括数据采集节点和网络协调器节点两部分。数据采集节点用来对温度进行采集，包括温度传感器、无线传输、数据处理等模块。温度数据通过无线网络被传送至网络协调器节点，此节点由数据处理和无线通信模块组成，负责接收和控制各终端节点的温度信息。终端节点和网络协调器硬件结构如图2和图3所示。

2.1 终端节点模块

该模块选用温度传感器 DS18B20进行温度采集，此传感器具有写入或读出数据只需一根端口线、模拟信号 (温度)直接转化成串行数字信号、数据处理模块可直接接收数据进行处理等优点。另外测量范围可达到－55～125℃、可编程A/D转换精度为9～12位，相应的可辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.062 5℃。在性能上其具有体积小、功率低、高精度、抗干扰能力强、响应时间短等优点，非常适合温度检测［7］。表1为DS18B20所测数据以扩展的16bit二进制补码形式进行转换后在寄存器中的存储格式。S值为1和0分别代表温度为负和正，其余的位数是数据位，位数越多分辨率越高。

图2 终端节点硬件结构Fig.2 The hardware structure of terminal node

图3 网络协调器硬件结构Fig.3 The hardware structure of network coordinator

表1 DS18B20寄存器格式Tab.1 The format of DS18B20 register

以分辨率为0.0625℃为例DS18B20的温度计算公式如下 (其中MSB为温度的高位，LSB为温度的低位)。

公式 (1)表示温度值为正时的温度计算公式，将测到的数值乘以0.062 5，即可得到实际温度;公式 (2)为温度值为负时的计算公式，测得的数值需要先变成二进制补码，然后将其乘以0.062 5便得到实际温度。两个等式中中括号内的数值均为二进制，在计算完成后需要把结果转化为十进制。

DS18B20通过以上转换公式以及其内部的转换电路将模拟量转换为数字量，通过温度显示模块直接以数字形式显示温度。从而实现了模拟信号到数字信号的转换。

2.2 ZigBee无线通信模块

模块选用CHIPCON公司的CC2430芯片。它延用了原始CC2420芯片的架构，在单个芯片上集成了 ZigBee射频前端、内存和微型控制器，CC2430拥有 1个 8位 8051MCU，8KB的 RAM，32KB、64KB或128KB的Flash，还包括模数转换器、32kHz晶振的休眠状态定时器、上电复位电路、掉电检测电路、AES128协同处理器件以及21个可编程的I/O引脚。可工作在2.4GHz频段，很大程度地节约了成本，在接收或发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA，在待机模式时的损耗电流值低于0.6μA，在休眠模式时的损耗电流值只有0.9μA，在一些要求电池寿命比较长的场合的应用很广泛。

3 节点软件设计

3.1 温度采集的实现

本设计采用DS18B20作为温度采集的传感器，DS18B20采用的是单总线协议。在实际的软件设计中，由控制器发出一个脉冲信号对总线上所有的DS18B20传感器进行复位操作，使其处于复位待命状态，然后向序列号相匹配的传感器发送相应的ROM指令，使这些传感器被激活，做好接受RAM访问指令的准备。其中RAM访问指令是用来控制被选中的传感器的工作状态，并且转化和读取传感器数据。总结对DS18B20软件操作过程如下:首先由单片机对温度传感器序列号进行搜索并启动温度传感器进行温度转换、读取温度值。由于在本设计中采用51单片机作为中心处理器，所以访问DS18B20传感器是需要使用软件来模拟单总线协议时序的方法。软件流程图如图4所示。

图4 DS18B20工作流程图Fig.4 The work flow chart of DS18B20

3.2 无线网络配置的设计

网络配置是温度采集系统的重要过程，网络配置的质量关乎数据传输的质量，所以此过程非常重要。从网络配置指标的各种因素考虑选取Chipcon公司设计的开发工具进行配置。配置的具体过程如下:首先由网络协调器利用NLME网络形成需求原语来搭建一个新的网络:网络协调器进行上电操作后，首先对协议栈进行初始化，然后通过网络层向MAC层发送MLME扫描需求原语，检测和扫描MAC层每个候选信道的峰值能量，扫描结果通过确认原语返回。协调器根据扫描结果选择合适的信道，然后建立一个自己的网络并选择一个唯一的标识符。如果PAN标识符被选定，就说明已经建立网络，此时网络层管理实体发出MLME启动需求原语到MAC层开始运行新的网络，此后可以允许节点的ZigBee设备接入网络，接收它们传输的温度值，并将其传送给PC机进行处理。

温度采集节点上电处理之后，应用层发送包括扫描时间、需要扫描的信道两个参数的原语到网络层，网络层收到后发送MLME扫描需求原语到MAC层，MAC层扫描有效长度大于零的信标并发送MLME_BEACON_NO－TYFY指示原语到网络层，网络层接收后发送NLME网络发现确认原语到应用层。应用层接收后即得到了当前附近网络的情况并且选择加入一个网络，然后发送NLME加入请求原语，并对想要加入的网络的PAN标识符参数进行设置。接着网络层发送原语到MAC层进行网络连接，如果连接成功，网络层将收到MLME关联确认原语进行确认，并添加新连接的设备到邻接表中。接着网络层发送MLME加入确认原语到应用层，子设备成功加入网络。此过程结束后表明温度采集节点顺利加入网络，它便通过协调器发送的信标与网络实现同步，开始周期性地采集温度值，并将测量结果传送给网络协调器。以上为网络配置和成功实现数据传输的全过程。协调器和温度节点软件流程图如图5所示［10］。

4 结论

该无线温度采集监测系统选用低成本、低功耗的CC2430芯片作为数据处理工具，通过具有单总线结构、功耗低、结构紧凑、体积小、检验精度高、工作稳定等特点的数字温度传感器DS18B20对温度进行采集。初步实验证明采用CC2430芯片和基本协议共同组成的星型网络拓扑结构不仅具备较好的系统稳定性和网络强壮性。同时ZigBee技术作为一种投入小、低能耗、低速率、结构简单、近距离的无线通信技术，完全可以应用在复杂环境下的智能检测领域和远程控制领域。