多總線控制的無線傳感器網(wǎng)絡

孔 源 ， 楊 艷 ， 王亞菲

（1.北京交通大學 電 子信息工程學院，北京100044；2.河北大學外語教研部，河北 保 定 0 71000；3.河北大學 工 商學院信息學部， 河北 保 定071002）

自20世紀90年代開始，無線傳感器網(wǎng)絡技術逐漸發(fā)展，從GSM到Bluetooth，從無線ATM到無線局域網(wǎng)，以不同的方式、不同的數(shù)據(jù)速率、在不同的距離上實現(xiàn)網(wǎng)絡連接和信息的及時傳遞，擺脫了電線的束縛，從而能夠在移動中自由地實現(xiàn)信息的交換[1]。盡管如此，仍然要為工業(yè)現(xiàn)場安裝傳感器或開關的布信號線而困惑。在實際應用中依然存在著一些現(xiàn)有的網(wǎng)絡技術無法或者不能很好的工作的場合，需要一種短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡技術。ZigBee技術這種以低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低復雜度為顯著優(yōu)點的短距離無線通信協(xié)議，滿足了小型、低成本的固定、便攜或移動設備無線聯(lián)網(wǎng)的要求[2]。文章從系統(tǒng)各總線設計的角度開始了對基于ZigBee技術的無線射頻器件、時鐘器件、溫濕度傳感器以及RS232總線接口電路展開研究，實現(xiàn)了多總線控制節(jié)點無線傳輸。

1 通信原理

無線傳感器網(wǎng)絡由一定數(shù)目的傳感器節(jié)點組成，以無線自組的方式構成網(wǎng)絡[3]。通常包括處理器模塊、傳感器模塊、無線通信模塊和電源管理模塊。傳感器節(jié)點的異構性體現(xiàn)在節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力、傳感數(shù)據(jù)種類、通信能力以及能源狀況等方面[4]。傳感器節(jié)點之間必須采用相同的無線通信網(wǎng)絡協(xié)議才能實現(xiàn)互聯(lián)。在ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議棧中物理層負責數(shù)據(jù)的調制、發(fā)送與接收，解決編碼調制技術、通信速率和通信頻段等問題。物理層之上為支持物理信道共享和廣播與多播的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和負責路由轉發(fā)和設備尋址的網(wǎng)絡層協(xié)議，在此之上為與具體應用緊密相關的應用層協(xié)議。在ZigBee協(xié)議棧中，每一層通過使用下層提供的服務完成自己的功能，同時對上層提供服務，網(wǎng)絡里的通信在對等的層次上進行。

2 硬件架構

多點的無線傳輸系統(tǒng)對傳輸提出了雙向通信的要求，即主機和從機都可以進行發(fā)射與接收，并且相互之間協(xié)調有序，不會產(chǎn)生沖突和干擾[5]。因此系統(tǒng)分為發(fā)射子節(jié)點和接受主節(jié)點兩部分，均采用單片機AT89C52做主控器件。發(fā)射子節(jié)點通過單總線對溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器DS2438進行控制，采集溫、濕度；通過4個I/O口模擬SPI總線控制無線射頻器件QRF0400進行數(shù)據(jù)的無線傳輸；通過2個I/O口模擬I2C總線對時鐘器件PCF8563進行選時操作。接受主節(jié)點通過無線射頻器件就行數(shù)據(jù)接收，然后經(jīng)過MAX232電平轉換接入串口，按照RS232標準與上位機進行信息交換。

2.1 發(fā)射子節(jié)點

每一個發(fā)射子節(jié)點的主控器件經(jīng)過單總線接口控制溫、濕度傳感器，都必須嚴格的按照單總線命令序列進行操作。首先進行初始化，以溫度傳感器DS18B20為例，初始化過程由主機發(fā)出的復位脈沖和從機響應的應答脈沖組成。應答脈沖使主機知道總線上有從機設備且準備就緒。當主機檢測到應答脈沖后，就可以發(fā)出ROM命令。這些命令與各個從機設備的唯一64位ROM序列碼相關，當單總線上連接多個從機設備時，允許主機指定操作某個從機設備。這些命令還使得主機可以檢測到總線上有多少個從機設備及其設備類型，或者有沒有設備處于報警狀態(tài)。最后發(fā)送操作命令，通過ROM操作命令使得總線主機與總線上某些或某一從機設備確定了通信關系之后，主機發(fā)出的功能命令便可以驅動從機設備進行相應的動作，當需要進行數(shù)據(jù)的傳輸時，從機設備會把主機要求的信息以串行傳輸?shù)姆绞剿偷絾慰偩€上，如圖1所示。

圖1 發(fā)射子節(jié)點硬件圖

對于時鐘器件（PCF8563）的控制，使用2個I/O口模擬I2C總線的數(shù)據(jù)線（SDA）和時鐘線（SCL）對器件進行讀寫控制，PCF8563的從屬器件地址是1010 A3A2A1A0，然后按步驟完成I2C總線的初始化，啟動I2C總線，就可以自動完成規(guī)定的選時操作。每一個ZigBee節(jié)點都有一個唯一的64位IEEE地址，并可以用這個地址在PAN（個域網(wǎng)）中進行通信，但在從設備和網(wǎng)絡協(xié)調器建立連接后會為它分配一個16位短地址，此后可以用這個短地址在PAN內進行通信。64位的IEEE地址是唯一的絕對地址，而16位的短地址是相對地址。系統(tǒng)工作在2.4GHz高頻頻段，網(wǎng)絡中的節(jié)點利用自身的無線收發(fā)設備交換信息，當相互之間不再彼此的通信范圍內時，可以借助其他中間節(jié)點中繼在同一個個域網(wǎng)里來實現(xiàn)多跳通信。無線收發(fā)模塊是一射頻集成電路模塊（RFIC），作為ZigBee無線網(wǎng)絡的物理層射頻前端實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)[6]。QRF-0400是一個SPI總線控制的基于ZigBee技術的無線傳輸模塊，集成了無線收發(fā)器件UZ2400，線性功率放大器UP2202和一個寬帶低噪聲放大器UA2723。UZ2400內置了射頻收發(fā)器工作在802.15.4標準的基帶濾波和MAC層的功能模塊。由發(fā)射/接收FIFOs，CSMA-CA控制器，超幀架構，接收幀過濾器，安全引擎和數(shù)字信號處理模塊等。對于無線傳輸器件的控制，使用4個I/O口模擬SPI總線的主機輸出/從機輸入總線（MOSI）、主機輸入/從機輸出（MISO）、串行時鐘線（SCK）、低電平有效從機選擇線（SS）進行接口仿真，通過對QRF0400進行讀寫地址命令，進行初始化，設置個域網(wǎng)標示符，配置IEEE地址，打開中斷等命令。將采集的溫、濕度數(shù)據(jù)無線傳輸。圖2為UZ2400內部模塊結構。

圖2 UZ2400內部模塊結構

2.2 接收主節(jié)點

接收主節(jié)點接收各個發(fā)射子節(jié)點的數(shù)據(jù)，并進行提取分類，然后通過RS232接口與上位機實現(xiàn)信息的人機溝通。數(shù)字信號的傳輸隨著距離的增加和傳輸速率的提高，在傳輸線上的反射、衰減、共地噪聲等影響將引起信號畸變，從而影響通信距離。選用RS232串行通信標準接口，通過增加驅動以及增大信號的幅度，使通信距離增大到15 m。由于單片機的串行發(fā)送總線和接收總線TXD和RXD是TTL電平，而PC機的COM1和COM2的RS232連接其實EIA電平，因此單片機需加接MAX232器件進行電平轉換，如圖3所示。

圖3 接收主節(jié)點硬件框圖

3 軟件設計

在發(fā)送子節(jié)點上，為了便于主控器件對傳感器的控制，在單總線器件掛接到單總線網(wǎng)絡之前，有必要對單總線器件進行預處理，即對DS18B20和DS2438編寫其所屬節(jié)點的序號，這個序號是主控器件對某一傳感器所屬器件進行區(qū)分的依據(jù)。該序號占用兩個字節(jié)的空間，其中第一個字節(jié)用來區(qū)分器件是DS18B20還是DS2438，為DS18B20分配該字節(jié)的值為00H，為DS2438分配的該字節(jié)的值為80H。第二個字節(jié)作為每一個器件分配的序號。比如發(fā)射字節(jié)點1掛接有10個DS18B20、8個DS2438，那么這10個DS18B20的序號從1到10，8個DS2438的序號從1到8。對DS18B20用寫暫存存儲器（4Eh）命令將00H寫到DS18B20高速暫存存儲器的第2個字節(jié)，將1到20分別寫到這10個DS18B20高速暫存存儲器的第3個字節(jié)，對DS2438分配的序號用寫暫存存儲器（4Ehxxh）命令寫到DS2438存儲器第7頁第0個字節(jié)，然后用復制暫存存儲器命令將其復制到非易失性EEPROM，以免序號信息掉電丟失。接收主節(jié)點單片機在讀回溫、濕度數(shù)據(jù)時，將各溫濕度傳感器的序號一并讀回[7]。

I2C總線上的受控器件必須分配地址，PCF8563作為受控器件，其設備地址在傳送開始后首先被傳送。按I2C總線規(guī)定SCL端為時鐘輸入端，數(shù)據(jù)線SDA是雙向端。PCF8563通過I2C總線進行讀地址命令（A3H）和寫地址命令（A2H）實現(xiàn)對字節(jié)的讀/寫2種狀態(tài)。對于SPI總線，主控器件與無線射頻器件通訊時，數(shù)據(jù)由MOSI輸出，MISO輸入。數(shù)據(jù)在時鐘的上升或下降沿到來時由MOSI輸出，在緊接著的下降或上升沿到來時由MISO讀入，這樣經(jīng)過8/16次時鐘的改變，完成8/16位數(shù)據(jù)的傳輸。接收主節(jié)點將接收正確的溫、濕度數(shù)據(jù)放入暫存器（SBUF）中，設置相應的波特率，配置好相應的特殊功能寄存器以查詢標志位的方式向PC機發(fā)送數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)設計流程

4 監(jiān)控軟件

主機用戶監(jiān)控軟件是用Delphi 7.0開發(fā)完成。由于Delphi的圖形界面豐富美觀、控件集成度好、數(shù)據(jù)庫功能強大、開發(fā)周期短、效率高，因此比較適合于此管理軟件的開發(fā)。操作界面加載SPCOMM組件后可以通過PC機上的串口與單片機保持數(shù)據(jù)通信。為了保證通信的可靠性，建立了一個通信協(xié)議。下位機向上位機發(fā)送一幀廣播命令（$FF），上位機收到廣播命令后向下位機回復一個應答幀（$EE），只有在下位機收到應答幀后才開始一幀一幀的將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，否則將報警并再次發(fā)送廣播幀[7]，如圖5所示。

圖5監(jiān)控界面

5 結束語

經(jīng)過現(xiàn)場多次實驗證明，多總線控制的無線傳感器可以有效地組成無線星型傳感器網(wǎng)絡，將各個節(jié)點的采集溫、濕度分時傳輸?shù)街鹘邮諜C上，顯示到界面供人實時監(jiān)測預警，從而避免了復雜環(huán)境下不能人為作業(yè)。

通過主控器件多種線控制，充分發(fā)揮了各個總線器件的優(yōu)點，使得系統(tǒng)免受外界干擾。需要注意的是系統(tǒng)在電源供電方面還存在問題，如何降低功耗延長系統(tǒng)壽命是未來研究的方向。

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