多總線(xiàn)控制的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

摘要：為了實(shí)現傳感器節點(diǎn)之間無(wú)線(xiàn)通信并組網(wǎng)，開(kāi)發(fā)了一種將各多總線(xiàn)器件集成到一起進(jìn)行無(wú)線(xiàn)溫、濕度測量的網(wǎng)絡(luò )系統。系統各節點(diǎn)主要包括由SPI總線(xiàn)控制的無(wú)線(xiàn)射頻器件QRF-0400，I2C總線(xiàn)控制的硬時(shí)鐘器件PCF8563，以及單總線(xiàn)控制的溫、濕度傳感器等。節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻器件將傳感器采集的溫、濕度實(shí)時(shí)傳遞到監控主機，工作結束自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式以降低節點(diǎn)功率，延長(cháng)工作壽命。實(shí)驗表明，節點(diǎn)在80m范圍內自動(dòng)組網(wǎng)并采集周邊環(huán)境的溫、濕度，誤差低于0．01°。
關(guān)鍵詞：SPI總線(xiàn)；I2C總線(xiàn)；單總線(xiàn)；ZigBee技術(shù)

自20世紀90年代開(kāi)始，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)逐漸發(fā)展，從GSM到Bluetooth，從無(wú)線(xiàn)ATM到無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，以不同的方式、不同的數據速率、在不同的距離上實(shí)現網(wǎng)絡(luò )連接和信息的及時(shí)傳遞，擺脫了電線(xiàn)的束縛，從而能夠在移動(dòng)中自由地實(shí)現信息的交換。盡管如此，仍然要為工業(yè)現場(chǎng)安裝傳感器或開(kāi)關(guān)的布信號線(xiàn)而困惑。在實(shí)際應用中依然存在著(zhù)一些現有的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)無(wú)法或者不能很好的工作的場(chǎng)合，需要一種短距離、低數據傳輸速率、低成本、低功耗的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。ZigBee技術(shù)這種以低成本、低功耗、低數據傳輸速率、低復雜度為顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)的短距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，滿(mǎn)足了小型、低成本的固定、便攜或移動(dòng)設備無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的要求。文章從系統各總線(xiàn)設計的角度開(kāi)始了對基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)射頻器件、時(shí)鐘器件、溫濕度傳感器以及RS232總線(xiàn)接口電路展開(kāi)研究，實(shí)現了多總線(xiàn)控制節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)傳輸。

1 通信原理
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由一定數目的傳感器節點(diǎn)組成，以無(wú)線(xiàn)自組的方式構成網(wǎng)絡(luò )。通常包括處理器模塊、傳感器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源管理模塊。傳感器節點(diǎn)的異構性體現在節點(diǎn)的數據處理能力、傳感數據種類(lèi)、通信能力以及能源狀況等方面。傳感器節點(diǎn)之間必須采用相同的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )協(xié)議才能實(shí)現互聯(lián)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧中物理層負責數據的調制、發(fā)送與接收，解決編碼調制技術(shù)、通信速率和通信頻段等問(wèn)題。物理層之上為支持物理信道共享和廣播與多播的數據鏈路層協(xié)議和負責路由轉發(fā)和設備尋址的網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議，在此之上為與具體應用緊密相關(guān)的應用層協(xié)議。在ZigBee協(xié)議棧中，每一層通過(guò)使用下層提供的服務(wù)完成自己的功能，同時(shí)對上層提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò )里的通信在對等的層次上進(jìn)行。

2 硬件架構
多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)傳輸系統對傳輸提出了雙向通信的要求，即主機和從機都可以進(jìn)行發(fā)射與接收，并且相互之間協(xié)調有序，不會(huì )產(chǎn)生沖突和干擾。因此系統分為發(fā)射子節點(diǎn)和接受主節點(diǎn)兩部分，均采用單片機AT89C52做主控器件。發(fā)射子節點(diǎn)通過(guò)單總線(xiàn)對溫度傳感器DSl8820和濕度傳感器DS2438進(jìn)行控制，采集溫、濕度；通過(guò)4個(gè)I／O口模擬SPI總線(xiàn)控制無(wú)線(xiàn)射頻器件QRF0400進(jìn)行數據的無(wú)線(xiàn)傳輸；通過(guò)2個(gè)I／O口模擬I2C總線(xiàn)對時(shí)鐘器件PCF8563進(jìn)行選時(shí)操作。接受主節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻器件就行數據接收，然后經(jīng)過(guò)MAX232電平轉換接入串口，按照RS232標準與上位機進(jìn)行信息交換。
2．1 發(fā)射子節點(diǎn)
每一個(gè)發(fā)射子節點(diǎn)的主控器件經(jīng)過(guò)單總線(xiàn)接口控制溫、濕度傳感器，都必須嚴格的按照單總線(xiàn)命令序列進(jìn)行操作。首先進(jìn)行初始化，以溫度傳感器DSl8820為例，初始化過(guò)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(xiàn)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(gè)從機設備的唯一64位ROM序列碼相關(guān)，當單總線(xiàn)上連接多個(gè)從機設備時(shí)，允許主機指定操作某個(gè)從機設備。這些命令還使得主機可以檢測到總線(xiàn)上有多少個(gè)從機設備及其設備類(lèi)型，或者有沒(méi)有設備處于報警狀態(tài)。最后發(fā)送操作命令，通過(guò)ROM操作命令使得總線(xiàn)主機與總線(xiàn)上某些或某一從機設備確定了通信關(guān)系之后，主機發(fā)出的功能命令便可以驅動(dòng)從機設備進(jìn)行相應的動(dòng)作，當需要進(jìn)行數據的傳輸時(shí)，從機設備會(huì )把主機要求的信息以串行傳輸的方式送到單總線(xiàn)上，如圖l所示。