基于Zigbee技术的温度采集系统设计
表2.1 IEEE802.15.4主要协议框架
应用层 网络层 数据链路层 MAC层 868/915 PHY层 2.4 PHY层 2.4.1 物理层规范
物理层(PHY)给出了两种类型的服务：管理服务和数据服务。物理层主要完成以下几项任务：开启和关闭无线收发信机、能量检测（ED）、链路质量指示（LQI）、空闲信道评估（CCA）、信道选择、数据发送和接收。
IEEE802.15.4物理层定义了868MHz、915MHz和2.4GHz三个频段。在这三个频段上物理层一共划分了27个信道，信道编号k为0~26。2450MHz频段上划分了16个信道，915MHz频段上有10个信道，868MHz频段只有1个信道。27个信道的中心频率和对应的信道编号定义如公式（2.1）所示。
Fc?868.3 k?0
Fc ?906?（2k-1） k?1,2...10 (2.1) Fc?2409?（k-11） k?11,12...26其中k——信道号；Fc——频段（MHz）
物理层通过射频固件和射频硬件提供了一个从MAC层到物理层无线信道的
接口。在物理层中，包含一个物理层管理实体（PLME），该尸体通过点用物理层的管理功能函数，为物理层管理服务提供其接口，同时，还负责维护由物理层所管理的目标数据库，该数据库包含有物理层个域网络的基本信息。物理层的接口结构如图2.4所示。
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图2.4 物理层接口结构
2.4.2 MAC层规范
IEEE 802.15.4 标准把数据链路层分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质接入控制子层（MAC）。MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务（MAC sublayer management entity,MLME）。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。MAC子层主要负责以下几项任务：协调器产生网络信标；信标同步；支持PAN关联和解关联；CSMA—CA信道访问机制；处理和维护保证时隙（GTS）机制；在两个对等MAC实体间提供可靠链路。MAC层参考模型如图2.5所示。
图2.5 MAC层参考模型
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MAC帧的基本组成部分如表2.2所示。
(1)MAC帧头 MHR，它包含帧控制域、序列号和地址信息。
(2)MAC净载荷子域(动态长度)，帧的类型是由包含在其内部的信息来确定的。净载荷子域不包含在应答信号帧内。
(3)MAC，其中含有单个帧校验的序列(FCS)。
表2.2 MAC帧格式
2byte 1byte 0/2/8byte 0/2byte 0/2/8byte 0/2/8byte 可变 2/byte 目的PAN目的地址 帧控制 序列号 标示符 源PAN标源地址 示符 帧净载FCS 荷 地址域 MAC MHR 净载荷 MFR
无线温度采集系统的整个网络配置由单个协调器节点与N个终端数据采集节点构成，在星形拓扑结构的网络内部的所有终端温度采集设备都只能够和协调器节点进行对应的双向通信，为了实现该功能，协调器节点需要保存N个终端数据采集节点的16位网络短地址，这就要求每个终端设备节点在入网请求得到允许以后，把16位网络短地址发送给协调器节点建立地址表，以满足用户对于特定区域采集数据的需求。低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制协议MAC数据包最长为127个字节，所有的数据包的信息组成都是由16CRC值以及头字节组成，在数据传输过程里我们设置了ACK标志位为1的帧，以此作为应答传输机制的信号帧，假如在规定时间里仍然没有收到反馈回来的应答信号，就说明终端温度采集节点出现异常。
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第3章 温度采集系统的硬件设计
无线温度采集系统解决了传统有线的温度传感系统布线繁琐，监测过程受限的缺点。而基于Zigbee的这种短距离无线通信系统以其低功耗、高性价比，系统安装维护便捷，而且该系统拥有摆脱数据采集监测过程上空间限制，可应用到更多场合中。
3.1系统整体设计
无线传感器温度采集系统主要由PC机、ZigBee协调器和放置在各处的温湿度采集节点——ZigBee终端设备组成。协调器自动组网传感器终端节点自动联网构建星形拓扑网络。终端数据采集节点的结构较为简化，仅由一个CC2530模块，Flash 存储和数字SHT10温度传感器组成，各个终端节点被初始化为无信标网络中的终端设备。终端设备上电复位后，便启动搜索指定信道上的PAN协调器，并发送连接请求，终端设备在成功入网后，启动休眠定时器，间隔10秒钟唤醒一次，醒来后使用一种简单的非时隙CSMA-CA，通过竞争机制取得信道使用权，通过PC机向协调器节点发送请求数据[20]。利用模块上的温度传感器模块采集环境温度，并上传给协调器节点，而后立即再次进入休眠状态，以达到最少能耗来延长电源续航时间，网络中的协调器节点负责搜集各温度采集节点的信息，并将信息快速的通过RS232串口按事先定义好的格式上传PC机，随即解析并显示出来。上位机监控界面可以用来监控温度传感器模块的工作状态，在监控界面上通过读取所有温度采集节点的地址以及它们的温度数据来预判温度走势。图3.1示例了Zigbee系统的组网模式。
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图3.1 Zigbee系统传感网例图
该实验实现的功能主要是协调器自启动(组网)，节点设备自动入网。之后两者建立无线通讯，数据的发送主要有2种方式，一种为周期定时发送信息(本次实验采用该方法测试)，另一种需要通过按键事件触发发送FLASH信息。由于实验配套 ZIGBEE 模块硬件上与TI公司的ZIGBEE样板有差异，因此本次实验没有采用按键触发方式。而是采用周期定时广播的方式来发送ZIGBEE节点端采集到的温湿度数据。
3.2 硬件设计
3.2.1 系统硬件平台
无线温度传感网络的硬件平台如图3.2所示，由于终端数据采集节点与协调器节点仅仅在传感器模块跟串口通信模块上的差别，所以这里拿出协调器节点模块介绍该模块上的各个主要的电路部分设计。
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