多總線控制的無線傳感器網絡

摘要：為了實現(xiàn)傳感器節(jié)點之間無線通信并組網，開發(fā)了一種將各多總線器件集成到一起進行無線溫、濕度測量的網絡系統(tǒng)。系統(tǒng)各節(jié)點主要包括由SPI總線控制的無線射頻器件QRF-0400，I2C總線控制的硬時鐘器件PCF8563，以及單總線控制的溫、濕度傳感器等。節(jié)點通過無線射頻器件將傳感器采集的溫、濕度實時傳遞到監(jiān)控主機，工作結束自動進入睡眠模式以降低節(jié)點功率，延長工作壽命。實驗表明，節(jié)點在80m范圍內自動組網并采集周邊環(huán)境的溫、濕度，誤差低于0．01°。
關鍵詞：SPI總線；I2C總線；單總線；ZigBee技術

自20世紀90年代開始，無線傳感器網絡技術逐漸發(fā)展，從GSM到Bluetooth，從無線ATM到無線局域網，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。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)網的要求。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絡。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。傳感器節(jié)點之間必須采用相同的無線通信網絡協(xié)議才能實現(xiàn)互聯(lián)。在ZigBee網絡協(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，不會產生沖突和干擾。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DSl8820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DSl8820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l所示。