ZIGBEE无线通信协议实现温度监控系统的研究与分析

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摘要：随着无线通信技术地迅速发展，当前新兴的zigbee技术具有很好的应用前景。本文针对ZigBee无线通信协议的实现进行了分析和研究，并将技术应用于测温系统实验中，实现可靠的温度检测，系统采用CC2530为主控芯片的zigbee开发板，加上单线制温度传感器DS18B20作为终端节点的传感器，通过仿真口与PC机进行通讯，利用zigbee协议栈构建无线网络，实现自组网的温度监测系统。关键词：无线通信；ZigBee；CC2530； DS18B20中图分类号： C35

文献标识码： A0 引言近几年来，随着无线移动通信技术地迅速发展。从蜂窝移动通信到宽带接入，再到无线局域网，使世界在这张无线的大网中变得越来越小。传统的温度采集系统，节点的连接方式大多数是使用有线连接，但有些情况下，监测点多，布线困难，这适合使用无线的方式进行数据采集和传输。Zigbee是一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术，并且能够自动组网。本文阐述了ZigBee技术与测温技术结合到一起的实验系统。1 ZigBee的协议体系结构

Zigbee技术是一种可靠性高，功耗低的无线通信技术，在zigbee技术中，其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定的任务，并且向上提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。ZIGBEE技术的体系结构主要由物理（PYH）层，媒体接入控制（MAC）层，网络/安全层以及应用框架层组成，其各层之间分布如图（1）。

图1. zigbee 体系结构1.1

物理层和MAC层IEEE 802.15.4标准定义了两个物理层.分别是868 MHz/915 MHz物理层和2.4 GHz物理层，两个物理层都使用相同的数据帧格式.如图（2）所示：ZIGBEE使用了3个工作频段，每一频段宽度不同，其分配信道的个数也不相同。 Zigbee物理层通过射频固件和射频硬件提供一个从MAC层到物理层无线信道的接口。图2.Zigbee的3个工作频段 MAC层在服务协议汇聚层（SSCS）和物理层之间提供了一个接口。MAC层包括一个管理实体，称为MAC层管理实体（MLME），该实体提供一个服务接口，此接口可调用MAC层管理功能。该管理实体还负责维护MAC层固有的管理对象的数据库。该数据库包含了MAC层的个域网信息数据库（PIB）信息。 1.2

网络层

Zigbee网络层主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。还包括设备之间的路由发现和路由维护和转交，为新加入的设备分配短地址等。Zigbee网络层支持星型，树形和网状型拓扑结构。在星型拓扑结构中，整个网络由一个称为Zigbee协调器的设备来控制。Zigbee协调器负责发起和维持网络正常工作，保持同网络终端设备的通信。2

系统整体结构ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4无线标准而开发的关于组网方面的通信技术。基于ZigBee的测温监测系统实验是由ZigBee通信模块（开发板）、温度传感器和PC机组成。该系统采用星型网络拓扑结构，由一台具有完全功能的设备作为协调器（用开发板代替），多个zigbee开发板（含测温传感器）组成终端节点，其中协调器与P C机相连，终端节点通过数字温度传感器DS18B20检测环境温度，并且通过无线网络将温度信息发送给协调器，协调器收到数据后通过仿真口发送给P C机，从而进行监测。系统总体设计图如图（3）所示。图3.Zigbee系统结构图 3

系统硬件设计3.1

zigbee开发板的硬件结构

CC2530是TI公司针对2.4 GHz ISM频带推出的第二代支持ZigBee/IEEE 802.15.4协议的片上集成芯片。其内部集成了高性能射频收发器、工业标准增强型8051MCU内核、256 KB Flash ROM和8 KB RAM。其主要特性：具有2个USART、8位和16位定时器、看门狗定时器、8路输入可配置的12位ADC、21个GPIO，具备温度感测功能。其硬件设计简单，封装小，功耗低，适合应用于无线传感器网络中。其硬件结构图如图（4）：图4. 硬件结构图主节点是该ZigBee网络的协调器，协调器是一台ZigBee全功能设备（FFD），即ZIGBEE开发板，它承担着对温度采集数据的无线接收以及与PC机用仿真口通信的任务，将温度数据及时上传。3.2

终端节点设计终端节点的主要任务是负责温度采集和数据的无线传输，也由Zigbee的开发板组成，开发板电路中有的温度传感器DSl8B20组成，其硬件结构与主节点相同。

温度传感器DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的应用可组网的数字温度传感器，它采用单总线协议，即与芯片接口仅需占用一个I/O端口，直接将环境温度转化成数字信号，以数字码方式串行输出，从而简化了传感器与微处理器的接口。其电路简单，可广泛应用于温度控制和测量、工作系统及任何热敏感系统中。本系统采用DSl8B20进行温度采集。 4

系统软件设计4.1

温度数据采集的实现DSl8B20的命令是靠严格的通信协议来支撑的。为保证数据可靠地传送，同一时刻单总线上只能有一个控制信号或数据。主机对某一测控对象操作时，一般由以下的操作过程：读取挂在单总线的的所有DSl8B20温度传感器ROM中的编码，当芯片发出此信号后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DSl8B20并使之做出响应，发出向内部RAM写上，下限温度数据命令，紧跟该命令后，是传送两字节的数据。最后进行DSl8B20的温度转换。4.2

ZIGBEE无线自组网仿真

本系统采用的是星形网络拓扑结构，网络中存在协调器和终端两种设备（在实验中都用ZIGBEE的开发板来代替）。上电后，协调器搜索并选择合适的信道，完成初始化和组建网络的任务。温度监测节点上电后，先扫描信道，寻找协调器，并且与之建立连接。连接成功后，则开始采集温度数据，传输给协调器，协调器接受各个节点的温度值，将其传输给PC机。如下图（5）所示，实验过程中，我们将一个主节点和两个分节点构成无线传感器网络，来采集两个分节点的温度。图5. 温度组网仿真5

结束语本文阐述了一种基于ZigBee技术的进行温度采集系统的设计与实验。系统采用ZigBee的开发板，它以CC2530芯片作为主控芯片，选用集成在开发板上的DS18B20数字温度传感器进行温度采集，硬件结构精简，能耗低，体积小，所组成的无线传感器网络具有自组织、自适应的特点。ZigBee技术具有低成本、低功耗和低速率的特点，非常适合于近距离、小数据量的实时监控和无线通讯系统。随着ZigBee技术协议标准的公布，该技术的应用范围将有大的拓展。 参考文献【1】蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用（IEEE 802.15.4）[M].北京：北京邮电大学出版社，2006【2】彭瑜.低功耗，低成本，高可靠性，低复杂度的无线电通信协议―Zigbee[J]上海工业自动化仪表研究所，上海 2002【3】石明明，鲁周迅.三种无线通信协议综述[J] 南京工业大学信息科学与工程学院，江苏南京211816【4】赵海兰，赵祥伟.智能温度传感器DSl8820的原理与应用.现代电子技术，2003.（14）：32―34.【5】高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程――基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案【M1】.北京：北京航空航天大学出版社，2009.6.【6】吕治安.ZigBee网络原理与应用开发【M】.北京：北京航空航天大学出版社，2008.2.