多總線控制的無線傳感器網絡

摘要：為了實現傳感器節點之間無線通信并組網，開發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。系統各節點主要包括由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、濕度實時傳遞到監控主機，工作結束自動進入睡眠模式以降低節點功率，延長工作壽命。實驗表明，節點在80m范圍內自動組網并采集周邊環境的溫、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、不同的數據速率、在不同的距離上實現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信息的交換。盡管如此，仍然要為工業現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、低數據傳輸速率、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、低數據傳輸速率、低復雜度為顯著優點的短距離無線通信協議，滿足了小型、低成本的固定、便攜或移動設備無線聯網的要求。文章從系統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，實現了多總線控制節點無線傳輸。

1 通信原理
無線傳感器網絡由一定數目的傳感器節點組成，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。傳感器節點的異構性體現在節點的數據處理能力、傳感數據種類、通信能力以及能源狀況等方面。傳感器節點之間必須采用相同的無線通信網絡協議才能實現互聯。在ZigBee網絡協議棧中物理層負責數據的調制、發送與接收，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據鏈路層協議和負責路由轉發和設備尋址的網絡層協議，在此之上為與具體應用緊密相關的應用層協議。在ZigBee協議棧中，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射與接收，并且相互之間協調有序，不會產生沖突和干擾。因此系統分為發射子節點和接受主節點兩部分，均采用單片機AT89C52做主控器件。發射子節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進行數據的無線傳輸；通過2個I／O口模擬I2C總線對時鐘器件PCF8563進行選時操作。接受主節點通過無線射頻器件就行數據接收，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 發射子節點
每一個發射子節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。最后發送操作命令，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，當需要進行數據的傳輸時，從機設備會把主機要求的信息以串行傳輸的方式送到單總線上，如圖l所示。