無線傳感器網絡在環境溫度監測中的應用

楊東霞，巨永鋒

（長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安710064）

近來環境監測開始得到社會的重視。 環境監測發展的主要方向是遠程監測系統，其中極為重要的是環境溫度監測。 無線網絡化、智能化、微型化、集成化是環境監測系統的發展趨勢，于是隨著半導體、無線通信技術、微電子機械系統等學科的飛速發展而產生的無線傳感器網絡 （Wireless Sensor Network,WSN）就成為環境監測領域研究的熱點。

無線傳感器網絡由大量靜止或移動的節點以自組織和多跳的方式構成，集傳感與驅動控制、計算、通信能力于一身，協作地實時監測、感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋區域內感知對象的監測信息并報告給用戶[1-6]。

1 基于無線傳感器網絡的環境溫度監測系統的總體設計

基于無線傳感器網絡的溫度監測系統包括溫度采集系統和溫度管理系統，如圖1 所示。 溫度采集系統由若干傳感器節點構成，每一個節點由微功耗微處理器、短距離射頻收發器和溫度傳感器組成。溫度管理系統由網絡控制節點及一臺計算機構成。

圖1 無線網絡傳感器系統結構圖Fig. 1 Wireless sensor network system structure

2 無線傳感器網絡環境溫度監測系統硬件設計

在本文，無線傳感器網絡主要由一個主控制節點和若干個從節點組成，各個從節點負責采集信息，然后通過射頻接收器發送到主節點，再由主節點連接至PC 處理顯示。

2.1 無線傳感器網絡終端節點設計

終端節點主要由溫度傳感器模塊、微處理器模塊和RF 射頻收發模塊構成， 如圖2 所示。 硬件平臺采用超低功耗的ATmega128+CC2420 來實現。ATmega128+CC2420 平臺在功耗方面有很大的優勢。另外，據測量范圍、精度、可靠性、穩定性和低功耗等要求，選取數字溫度傳感器DS18B20。

圖2 終端節點結構圖Fig. 2 The terminal node structure

2.1.1 溫度采集模塊

DS18B20 作為溫度傳感器其主要特性：外部電源供電方式下適應電壓范圍更寬（3.0～5.5 V），在寄生電源方式下可由數據線供電；單線接口方式，僅需一條線即可實現與微處理器的雙向通信； DS18B20 支持多點組網功能， 實現多點測溫；DS18B20 在使用中不需要外圍元件，內部附帶AD 轉換；測溫范圍－55～+125 ℃；可編程的分辨率為9～12 位，最高可分辨溫度為0.062 5℃，可實現高精度測溫；12 位分辨率時在750 ms內把溫度轉換為數字； 測量結果以數字信號直接輸出并串行傳送給CPU，同時可傳送CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。

DS18B20 的外部電源供電方式如圖3 所示。 在外部電源供電方式下，DS18B20 工作電源由外接供電電源輸入端VDD引腳接入（在寄生電源接線方式時接地GND），此時數字信號輸入/輸出端I/O 線不用強上拉， 不會有電源電流不足的問題，能保證轉換精度[7]。

圖3 外部電源供電圖Fig. 3 External power supply

2.1.2 無線通信模塊

CC2420 是Chipcon 公司開發的首款符合Zigbee 標準的2.4 G Hz 射頻芯片， 可快速應用到Zigbee 產品。 CC2420只需很少的外圍器件就能工作在2.4 GHz 頻段， 數據傳輸率達250 kbp/s， 傳輸距離最大為200 m， 包含硬件MAC 和CRC 自動校驗處理，具有高達－94 dBm 的接收靈敏度。 該器件性能穩定且功耗極低， 可確保短距離通信的有效性和可靠性。 CC2420 芯片采用低電壓供電(2.1～3.6 V)，采用休眠模式，且從休眠模式被激活的時延短， 處于休眠狀態時芯片的能耗極低，從而大大減少了能耗。

CC2420 工作過程：CC2420 從天線接收到射頻信號，先經過低噪聲放大器， 然后正交下變頻到2 MHz 的中頻上，形成中頻信號的同向分量和正交分量。 兩路信號經過濾波和放大后，直接通過模數轉換器轉換成數字信號。之后都以數字信號的形式處理。 CC2420 發送數據時，直接正交上變頻，基帶信號的同相分量和正交量直接被數模轉換器轉換為模擬信號，通過低通濾波器后，直接變頻到設定的頻道上。

CC2420 和單片機的接口電路如圖4 所示。

圖4 接口電路Fig. 4 The interface circuit diagram

2.1.3 微處理器模塊

ATmega128 是一款采用低功耗CMOS 工藝生產的基于AVRRISC 結構的功能最強、性能最好的8 位單片機。 芯片內部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路。 兩路可編程串行UART 接口；53 個通用I/O 口，128K 字節在線可重復編程Flash ROM；4K 字節的EEPROM；4K 字節內部SRAM，帶有128KB Flash 在線可編程8 位微控制器；在線可編程主/從SPI 串行接口； 可以對單片機的Flash 程序存儲器和EZPROM 數據存儲器進行編程，具有在線編程(ISP)的特點。 ATmega128 的結構適宜采用高級語言來編寫嵌入式系統的系統程序。 具有先進的RISC 精簡指令集結構；外部和內部中斷源；5 種睡眠模式；運算速度快，速度等級是0～16 MHz。

2.1.4 JTAG 的接口設計

通過4 線JTAG 接口燒寫和調試程序，JTAG 接口電路如圖5 所示。

圖5 JTAG 的接口設計圖Fig. 5 The interface design of the JTAG

2.2 無線傳感器網絡主節點設計

主節點由CC2420 和ATmega128 連接， 然后通過串口線連接至PC，再設計串口調試軟件助手，將監測溫度實時的在PC 上顯示出來，如圖6 所示。 數據由微處理器通過串口傳輸至PC，通過串口調試軟件界面顯示。

圖6 主節點系統結構圖圖Fig. 6 The master node system structure

3 無線傳感器網絡環境溫度監測系統軟件設計

3.1 數據采集程序設計

1)DSl8B20 工作過程

①初始化

通過總線的所有執行操作都從一個初始化序列開始，初始化序列包括一個由總線控制器發出的復位脈沖和其后由從機發出的存在脈沖，存在脈沖讓總線控制器知道DS18B20 在總線上已準備好操作。

②ROM 功能命令

總線主機檢測到DSl820 的存在， 便可以發出ROM 操作命令之一：指令讀ROM [33H]；指令匹配ROM [55H]；跳過ROM[CCH]；指令搜索ROM[F0H]；指令報警搜索[ECH]。

③DS18B20 存儲控制命令

在總線控制器發給欲連接的DS18B20 一條ROM 指令后，發送一條DS18B20 存儲控制命令。這些指令允許總線控制器讀寫DS18B20 的暫存器，發起溫度轉換和識別電源模式。比較常見的幾個DS18B20 功能指令：溫度轉換指令44H；寫暫存器指令4EH；讀暫存器指令BEH；讀電源模式指令B4H。

④處理數據

DS18B20 單總線通信功能是分時完成的， 它有嚴格的時隙概念。 主機使用時間隙來讀寫DSl8B20 的數據位和寫命令字位。

2)DS18B20 測溫程序流程圖

流程圖如圖7 所示。

圖7 DS18B20 程序流程圖Fig. 7 The program flow chart of DS18B20

3.2 通信模塊程序設計

CC2420 有用于訪問發送FIFO 緩存器， 稱為TXFIFO 寄存器，還有用來訪問接受FIFO 緩存區，稱為RXFIFO 寄存器。訪問這兩個寄存器時，CC2420 傳輸的數據是8 位，同時自動更新FIFO 緩存區的讀寫指針。

處理器需要CC2420 發送數據時，首先通過寫TXFIFO 寄存器把需要發送的數據包按字節依次寫入到發送緩存區TXFIFO 中，然后寫命令選通寄存器STXON，等待信道空閑時從無線信道發送，即：

①把數據流按順序存入TXFIFO， 依次為數據幀的幀長度、幀控制字、序列號、PAN 標識符、目標地址、源地址、有效載荷和幀校驗序列。

②檢查CCA 信號并等待信道空閑。

③執行STXON 命令選通寄存器，打開TX 發送模式。

④在任何新數據寫入TXFIFO 前請確認SFD 變高后再變低，并且已等待了至少60 個時鐘周期。

當CC2420 接收到數包時, 會把數據存入到接收緩存區RXFIFO,并改變FIFO 和FIFOP 引腳的狀態，處理器通過FIFOP的引腳中斷讀RXFIFO 寄存器，依次讀取整個數據包，即：

①檢查FIFO 和FIFOP 信號，確認是否有新數據到來。

②如果有新數據到來，當數據包的數目超過設置的FIFOP的閾值時，FIFOP 變為高電平， 從而觸發處理器的外部中斷，通過中斷接收數據。

③任何時候RXFIFO 只要發生溢出，立即清除RXFIFO。

通訊程序的設計流程圖如圖8 所示。

圖8 CC2420 程序流程圖Fig. 8 The program flow chart of CC2420

CC2420 在接收到數據包后，SFD 首先由低電平變成高電平，從而觸發IRQ 中斷，在中斷服務程序中調用MACISR( )進行接收數據的處理， 中斷服務程序中首先確定當前不是由于RXFFIO 緩沖區溢出產生的中斷，經過接收處理后，系統將數據交由ZigBee 協議棧的MAC 層進行處理。 數據的發送處理主要是將數據進行IEEE802.15.4 協議數據幀的封裝處理，然后利用SPI 總線驅動進行數據的發送。

4 結束語

本文提出了一種基于ZigBee 協議的用于測量溫度的無線傳感器方案，并設計出相應的無線傳感器網絡。 由一個主節點和多個終端節點組成。 主節點負責向終端節點查詢溫度信息，終端節點負責將溫度傳感器所采集到的信息反饋給主節點，從而達到對一塊區域進行溫度監控的目的。 文中使用ATmega128 微控制芯片和CC2420 無線芯片搭建了一個基于ZigBee 技術的無線傳感器網絡。 設計了適用于ZigBee 協議的2.4 Ghz 的無線數據傳輸模塊、無線傳感器節點溫度測量模塊，進行了測溫軟件開發與調試。

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