基于Zig+Bee的无线温度传感器网络的设计

2009年第28卷第4期传感器与微系统(Transducer and Mierosystem Technologies) 69彳廿pppqp讪．≈设计与制造I崎、毋《Rt一一《^、o’基于Zig Bee的无线温度传感器网络的设计木刘外喜1，胡晓1，唐冬1，郑晖1，吉国平2 (1．广州大学机械与电气工程学院，广东广州510006；2．中国人民解放军91708部队．广东广州510320)摘要：介绍了一种由无线传感器节点、网关、控制端构成的无线多点温度传感器网络的设计，阐述了系统的功能、组成以及各部件的主要设计方法。

实验表明：本系统具有低功耗、低成本、精度可编程、可远端控制等特点。

关键词：ZigBee；无线温度传感器；可编程中图分类号：TP 216文献标识码：A ．文章编号：1000—9787(2009)04—0069一03Design of wireless temperature sensor networkbased on Zig Bee technology串LIU Wai．xil，HU Xia01，TANG Don91，ZHENG Huil，JI Cuo-pin92 (1．College of Information and Electromechanical Engineering，Guangzhou Umversity，Guangzhou 510006，China；510320，China)2．PLA，91708 Unit，GuangzhouAbstract：A wireless temperature舱Ii$or network，which consists wireless sensor node，gateway and control node，is expounded．The function，constituent and main design method of every part of this system is shown．Test resultsshow that this system has lots of advantages，including low-power，low—cost，precision programmable and remotecontr01．Key words：Zig Bee；wireless temperature sensor；programmable0引言控制端对传感器网络的数据进行监测、统计分析等处理，并在大多数应用中，温度监测是一个长期的过程，同时，根据需要控制远端的传感器。

温度传感器网络具有大规模布放、数据量小的特点，所以，温度传感器网络需要一个无线、低功耗、低成本、低数据率的解决方案。

IEEE 802．15．4是为低功耗、低速率传感器和控制网络设计的无线网络协议栈，Zig Bee是基于IEEE 802．15．4协议的技术。

同时，在组网性能上，ZigBee技术可以构造星形网络或者点对点对等网络，可以实现大区域网络覆盖和可扩展网络。

基于以上分析，提出了利用Zig Bee技术实现无线传感器网络的方案，并设计了具体的系统。

图1系统框圈l系统方案Fig 1 Block diagram of system 系统框图如图l所示‘L21。

其中，无线传感器节点负责2无线传感器节点的设计将DSl8820温度传感器采集到的数据上传至网关，并接收2．1 无线传感器节点的硬件设计控制端的控制命令。

网关负责将各个节点的数据汇总再通无线传感器节点的硬件设计框图如图2所示，主要由过互联网络上传至控制端，并转发控制端的命令至各节点。

3部分组成：由DSl8820温度传感器利用单总线技术组成收稿日期：2008--11--13·基金项目：广东省自然科学基金资助项目(7301261)传感器与微系统第28卷传感器网络；CC2420是由Chipcon 公司基于IEEE802．15．4 CC2A20会自动在数据的开始处加上前导码(0x00)和帧起 协议而开发出来的Zig Bee 芯片。

工作在2．4 GHz ISM 频段 始分隔符(0xA7)，并用计算的值替换数据尾部的CRC ； 支持16个250kbps 信道。

CC2420模块负责基于IEEE 2)检查CCA 信号，如信道忙，要经过一段“随机”长的802．15．4协议的与网关的无线通信；SPCE061A 作为MCU 时间的等待后才重试； 负责控制传感器网络和CC2420无线通信模块。

3)执行STXON 命令寄存器； DSl8820采用了单总线技术(1-WIRE BUS)，为了区分4)在任何新数据写入TX FIFO 之前确认SFD 信号先不同的器件，厂家为每个器件嵌入一个64位的二进制变高后变低，并且，已经等待了至少60个时钟周期。

ROM 代码，标示器件的ID 号。

单片机只需一根端口线就裘1数据帧格式 T 曲l Form ofdataframe 能与诸多DSl8820通信，利用该技术的特点可以构建覆盖大范围的远距离多点温度检测系统悼】。

IO^5 DSIBB20I ⋯lDSISB20lo^4CC^【)Ql ∞ 3网关的设计 IOBI}Mm ％ SPCE06lACCZ4203．1 网关的硬件设计IO^2vR ∞Ⅲ 在该系统中，网关是作为TCP ／IP 网络到无线网络之间 IUS 盯n的协议转换接口。

在网关中，SPCE061A 单片机作为MCU 控制CC2420无线通信模块和DM9000以太网控制器模块，圈2传感器节点硬件设计示意图 硬件设计如图4所示。

Fig 2 Schematic diagramof hardware design of sensor nodeFIPOP●———■I 嘲2．2软件设计 咖IOAO--IOA7 ●——■D8一D15loB7oC^●——● lOBS IOAS-IOAi5 ●—● DO--IF ／2．2．1传感器的软件设计 L"gn1089DM9000传感器的工作流程如图3所示，当单片机需要针对所 C 晓420 SPCE06lA以太网模块 F 球O loBl0 lOB2 ●——● AEN有DSl8820可通过“跳过ROM ”命令，可使跟随其后的命令 VR 日G ENloBllIOBl5 ●——● CMD针对所有传感器，之后，再通过“匹配ROM ”逐一地读回每 RESE ’r ⅡIOBl2 帕阱 ●—_． lOR研IOBl3●—_．IoW个DSl8820的温度数据。

在流程图中的“是否改变精度” SOIOBI ●I ∞5 是根据控制端发出的命令来判断。

图4网关的硬件设计示意图 Flg 4 Schematic diagram of hardware design of gateway3．2网关的软件设计 网关的无线通信部分与无线传感器节点中的设计类 似；而以太网通信部分的协议采用由LwIP 移植而来的称为 unIP 的一个精简TCP ／IP 协议栈，它针对单片机系统的特点 进行了优化，用户通过对unIP 各个部分API 函数的调用， 即可编写自己的应用层协议。

利用TCP ／IP 发送数据需要在数据净菏前后增加大约 58个字节的头部和尾部，而温度的数据量较小，如果每一次 采集的温度都立即通过TCP ／IP 数据包发送出去，必将造成 传输效率低下，而如果等待太长时间又必将影响温度采集的实时性，所以，为了兼顾传输效率和温度传感的实时性， 圈3传感器的工作流程图Fig 3 Flow chartof sensor 本系统采用每10个温度数据发送一次，并且，这一数据的 2．2．2无线通信模块的软件设计 个数可以调整。

无线传感器节点和网关中的无线通信模块负责数据的4控制端的设计 收发。

根据本系统的特点，依照IEEE 802．15．4协议的规 本系统的设计采用的是瘦节点和胖控制端的思想，就 定，本系统的数据帧格式简化为表1所示一1。

是说无线传感器节点和网关只完成有限的基本功能，大部 发送数据按以下步骤进行：分的控制管理、存储、统计分析功能由控制端来完成，这样1)将数据按上表的格式存入TX FIFO ，数据发送时做的优点在于可以降低无线传感器节点和网关的能量消耗第4期刘外喜，等：基于ZigBee的无线温度传感器网络的设计71以及成本，便于大规模长期的布放。

的Configuration Register寄存器编程为1FH，3FH，5FH，在控制端发送命令控制传感器节点的采集精度和频7FH。

率，将节点置于休眠或工作状态，从而最大限度地节省传感当在控制端点击图5中4区域内相应精度的按钮，则器节点的能量，延长工作寿命。

会向无线传感器节点发出包含上述内容的命令帧，无线传在控制端利用Access数据库软件将传感器网络中各节感器节点收到后再通过单片机对Configuration Register寄存点的数据存储起来，不仅可以被本地控制端进行统计分析，器进行编程。

也可被互联网络的远端用户查询调用和分析。

5结论除此之外，控制端还通过设置权限来管理用户，使得互本系统利用ZigBee和嵌入式等技术设计了无线温度联网络中的用户只有被授权才能进入系统，提高了系统安传感器网络，实验结果显示：本系统具有低功耗、低成本、全性。

精度可编程、可远端控制等特点，任何授权用户都可通过温度采集实验结果如图5所示。

网络使用本系统了解和控制现场的情况。

它为无法铺设50 有线传感器网络的场所提供了一个采集、监视现场温度的4540有效方案。

足35链参考文献：30赠25[1]董海涛，屈玉贵，赵保华．ZigBee无线传感器网络平台的设计2015 与实现[J]．电子技术应用，2007(12)：124--126．[2]曹玲芝，石军．无线网络化温度传感系统设计[J]．微电子图5实验结果学与计算机，2006，23(3)：73—75．[3] 杜吉龙．基于MC68HC908RF2的无线温度传感器[J]．半导体Fig 5 Test results因为DSl8820的转换精度决定了温度转换时间，而温技术，2008，33(1)：25-29．medium∽c∞control 度转换时间又决定了传感器的能量消耗，所以，可以根据实[4] IEEE Std 802．15．4"-2006，Wireless(MAC)and physical layer(PHY)pecifications for low—rate wire—际需要来改变精度，从而尽量减少电池消耗。

less ersonal area networks(WPANs)[S]．DSl8820有4个采集精度，分别为0．5，0．25，0．125，作者简介：0．0625℃，分别对应的有效位是9位、10位、11位、12位，刘外喜(1976一)，男，湖南茶陵人，硕士，讲师，主要研究方向转换时间分别为93．75，187．5，375，750ms，分别对DSl8820 为宽带网络技术。