基于ＺｉｇＢｅｅ技术的公共场所无线温度采集系统

摘 要：讨论基于 ZigBee 无线网络技术的温度采集系统的实现方案。系统的实现基于ZigBee解决方案Chipcon公司的无线射频芯片CC2420加Microchip公司的PIC18F4620微处理器，以及DALLAS公司生产的单线数字温度传感器DS18B20。详细讨论硬件设计和软件设计。系统有效地实现了对公共场所空调温度的采集和监督，并且成本低廉，终端节点功耗低，达到了节能减排的目的。

关键词：温度采集系统;无线网络;ZigBee;CC2420;PIC18F4620;DS18B20

中图分类号：TP274文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)22-142-03

Wireless Public Temperature Collecting System Based on ZigBee Technology

CHEN Lei,ZENG Liansun

(Shanghai Maritime University,Shanghai,200135,China)

Abstract：A design of wireless temperature collecting system is discussed based on ZigBee wireless technology.AdoptingZigBee solution Chipcon CC2420 RF transceiver,Microchip PIC18F4620 microcontroller and DALLAS digital temperature sensor DS18B20 to realize this system.The hardware design and software design are discussed in detail.The system has an effective temperature collection with low-cost，low power consumption of end device nodes,thus the energy-saving and emission reduction are realized.

Keywords：temperature collecting system;wireless network;ZigBee;CC2420;PIC18F4620;DS18B20

多年以来，我国公共建筑的空调管理比较粗放，空调温度设置不尽合理，导致能效不高，造成能源资源浪费，与建设资源节约型、环境友好型社会的目标不相适应。为深入贯彻科学发展观，进一步落实《国务院关于加强节能工作的决定》（国发［2006］28号）精神，国务院要求严格执行公共建筑空调温度控制标准，而这就需要一套温度采集系统来对此进行监督和管理。由于基于有线的温度采集系统，具有布线麻烦、系统可扩展性差、系统安装和维护成本高以及移动性能差等缺点，因此无线通信技术，是实现温度采集系统的理想选择。无线温度采集系统自身的要求和ZigBee技术具有的特点，决定了ZigBee是实现无线温度采集系统的最佳解决方案。

1 ZigBee无线通信技术及特点

ZigBee 是一种在无线个人网络领域中新兴的无线网络技术。电子与电气工程师协会IEEE于2000年底成立了 802.15.4 工作组，规定了 ZigBee的物理层和媒体接入控制层。2001年8月成立了ZigBee 联盟，负责 ZigBee 规范的制定和应用推广工作，2004年12月推出ZigBee规范的正式版本ZigBee Specification V1.0。目前，世界各大半导体巨头TI，FreeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee标准的芯片及协议栈。其中，本文的公共场所温度采集系统采用的是CC2420射频收发器加PIC微处理器这个方案。

无线温度采集系统的协调器与温度传感器节点之间只需传输温度数据信号，且数据发送频率不高，而 ZigBee 的最大传输速率可以达到250 kb/s，这对于实现无线温度采集系统来说已经足够了；无线温度采集系统的各个传感器节点往往需要组成一个星型网、簇状网或者网状网，节点数量在几十到几百个之间，ZigBee 对以上拓扑结构都做了很好的支持，且网络最大节点数可达 65 535，很好地满足了系统对网络结构及容量的要求，而这是蓝牙和红外技术所无法满足的；温度采集系统需要所有房间和楼层间的通信，这就需要系统具有穿墙的信号传递功能和网络功能，ZigBee 工作在2.4 GHz的ISM频段，节点之间的最大通信距离可达100 m，信号具有一定的穿墙能力，并且 ZigBee 支持路由节点，只要合理布局，可以保证建筑物内没有无线通信的盲区；温度采集系统的构建目的也就是为了节能减排，因此对成本非常敏感，ZigBee 是一种低速率、低成本的无线通信技术，相比于Wi-Fi 和 UWB 等这些适用于无线局域网和多媒体应用的高速率无线标准而言，成本非常低廉。本文提出的公共场所空调温度采集系统就是基于ZigBee这一新兴的无线通信技术的。

2 ZigBee无线温度采集系统结构组成及工作原理

一般的公共场所诸如办公大楼、娱乐场所、宾馆等地方空调房间很多，需要温度采集的点比较多分布也比较广，用无线方式来采集是最佳的选择，本系统采用基于ZigBee无线通信技术及DS18B20数字温度传感器来实现温度的采集。

ZigBee无线温度采集系统主要由ZigBee终端、ZigBee路由、ZigBee网络协调器、GPRS终端和温度监控中心组成。系统结构图如图 1所示。

ZigBee温度采集终端通过温度传感器DS18B20采集到温度数据后，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出传送给单片机；在单片机处理信息后，利用串口SPI将信息通过CC2420射频芯片传送给协调器；网络采用星型或MESH网状网络拓扑和需求时唤醒ZigBee模块的通信方式，有效降低了每个ZigBee传感器节点的功耗，减少了传感器节点向协调器上报数据时相互碰撞的概率。由于ZigBee设备发送数据的距离是有一定限制的，所以如果采用加中继器的方法将数据发到远在数公里之外的温度监控中心，成本较高。因此，协调器和监控中心之间就采用目前比较成熟的GPRS技术。在协调器将数据采集后，将数据统一通过GPRS设备发送到温度监控中心。

3 ZigBee温度采集终端的硬件设计

ZigBee温度采集终端主要由控制器模块、射频收发器模块、温度采集模块3部分组成，其硬件系统结构如图2所示。

本温度采集终端微控制器采用的是Microchip公司的18系列高档单片机PIC18LF4620，PIC18系列是高性能、CMOS、集成了模/数（A/D）转换器的全静态MCU系列。PIC18 MCU采用先进的RISC架构，支持FLASH和OTP器件，其突出的特点是强调低功耗，非常适用于各种低功耗要求的应用。

在射频收发器上，本设计选用Chipcon公司的CC2420射频收发器，CC2420是Chipcon公司推出的一款符合IEEE802.15.4规范的2.4 GHz射频芯片，已经被用来开发工业无线传感及家庭组网等PAN网络的ZigBee设备和产品。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以CBIOS工艺制成只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。

系统终端的温度采集模块采用由美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20单线数字温度传感器，它具有3引脚TO-92小体积封装形式；温度测量范围为－55～＋125 ℃,可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.062 5 ℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出； DS18B20的CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

4 ZigBee无线温度采集系统的软件设计

软件设计采用Microchip的MPLAB-IDE v7.30软件平台及MPLAB-ICD2在线调试仿真器。MPLAB-ICD2在线调试仿真器通信接口方式USB接口方式，工作速度极快。它针对Microchip公司生产的采用FLASH工艺的微控制器芯片的程序区可重复多次读写功能，直接使用目标芯片实现仿真调试功能，同时可以作为在线烧写工具，使用最新的MPLAB v7.50软件目前几乎支持所有的FLASH系列的仿真及对非FLASH芯片的烧写。在采集温度时，待传感器复位后，接收应答信号，跳读ROM中序列号，找到序列号后，进行温度转换（采样、保持和A/D转换，把模拟量转换为数字量）等待2μs后，温度转换完毕，保存数据，并找出最高温度TH和最低温度TL，如此反复，完成所有在线DS18B20温度转换与写操作，程序流程示意图如图3所示。

对DS18B20处理顺序为：第一步：初始化；第二步：发送ROM命令；第三步：发送功能命令。初始化包括主机发出复位脉冲（通过将总线拉低至少480 μs来实现），随即主机等待DS18B20发回的存在脉冲。DS18B20则从检测到复位脉冲的上升沿开始等待15~16 μs后通过将单线总线拉低60~240 μs实现存在脉冲的发送。初始化完成后即可发送ROM命令，包括搜索ROM命令（FOH）、读ROM命令（33H）、符合ROM命令（ECH）。随后即可发送功能命令，包括温度变换命令（44H）、写暂存器命令（BEH）等。命令的传送通过写时序实现，而主机读取DS18B20传送的数据通过读时序实现。

5 ZigBee无线温度采集系统的实验结果

在两层楼的若干个房间中布置一套基于ZigBee 技术实现的无线温度采集系统的实验网络，其网络结构如图 4所示。在每个房间内都设置1个ZigBee 模块，其中协调器节点是必需的。在其他地方，根据是否需要路由功能，可以配置为路由器或者终端节点。因为协调器节点和路由器节点具有路由功能，协议栈容量较大，所需的FLASH空间较大，芯片的成本也较高，因此只把需要给其他节点路由转发数据报的节点配置为路由器节点，其他节点则都配置为终端节点，以降低成本。室内所有的节点组成1个ZigBee网络，每层楼一个协调器，数据最终传送到PC监控主机，对超出温度范围的点进行报警。系统设计成本低廉、可靠性高、响应速度快，是不断发展的电子信息技术在温度监采集领域中的应用。

6 结 语

实践表明，科学管理空调的运行，既能提供比较健康、舒适的室内环境，又能节约能源，保护生态环境，是一件利国利民的好事。本文针对国务院要求严格执行公共场所空调温度控制标准的要求以及大楼内的结构特点，提出了一种基于ZigBee技术的无线温度采集系统，有效地监督了空调的科学使用，达到节约能源资源，保护环境的目的。系统实现成本低廉、安装方便、终端节点功耗低、工作稳定、具有很强的推广价值。

参考文献

［1］ZigBee Alliance.ZigBee Specification.［EB/OL］..

［4］蒋挺,赵成林.ZigBee紫蜂技术及其应用（IEEE802.15.4）［M］.北京：北京邮电大学出版社,2006.

［5］李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［6］陈新建.PIC系列单片机程序设计与开发应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

作者简介 陈 蕾 女,1983年出生，上海海事大学硕士研究生。主要研究方向为移动通信和无线接入技术 。

曾连荪 男，1962年出生，教授。主要从事无线接入技术和定位导航技术的研究。