ZigBee技術在溫控系統中的應用

0 引 言
??? 目前短距離無線通信技術已成為無線通信技術的一個重要分支，現實中很多系統傳輸的數據通常為少量的突發信號，這里采用的ZigBee技術就是具有統一標準的短距離無線通信技術，專門用于這類信息的傳輸，工作在2．4 GHz的免付費、免申請頻段上，傳輸速率為250 Kb／s。這種無線通信技術具有如下特點：傳輸距離遠、室內大概有30 m，功耗低，工作模式情況下，ZigBee技術傳輸速率低，傳輸數據量很小，因此信號的收發時間很短，其次在非工作模式時，ZigBee節點處于休眠模式。
??? 這里把ZigBee技術應用到溫控系統中，現有的溫控系統，很多都是采用有線方式。通過有線方式傳輸信號，布線費用昂貴，維修困難，難于擴展，在某些情況下甚至無法布線成功，這是其遇到的一個極大困難，且系統的抗毀性也比較差，一旦主控制芯片出現了問題，整個系統就會崩潰。應用ZigBee技術以后，溫控系統可以從有線方式變為無線方式。

1 ZigBee技術的特點
??? ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸的特點使它非常適宜支持簡單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按三種方式工作，分別為：個域網協調器、協調器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅適于非常簡單的應用。

2 對等網中的Mesh網絡的特點
??? 對等網是全部由完整功能器件(FFD)連接而成的，這種網絡能提供更高的可靠性，如圖1所示。

??? 綜上所述，這里采用ZigBee技術實現網絡的傳輸，并選用ZigBee支持的Mesh網絡實現此功能。對等網是全部由完整功能器件(FFD)連接而成的，這種網絡能提供更高的可靠性。

該網絡有一個主控制節點，用來啟動整個網絡，這個主控制節點由專門的電源供電，另外還有專門負責路由信息的控制節點，給信息傳輸提供必要的路由，本身也可以參與溫度的測量，還有就是一些終端的節點，它們可以專門用來測量端點的溫度，另外在必要的時候，如網絡出現故障，它們啟動相應的命令，就又可以充當路由的功能。
??? 這種無線網絡具有較強的抗毀性，某個節點出現故障，路由節點可以選擇另外一條路由去完成此次傳輸。

3 Mesh網絡的建立過程
??? 這里所有的站點都是FFD(全功能器件)，可以用下面的方法組建一個網絡。
??? 每個大型的ZigBee的Mesh網絡都可以由一個中心協調器(PAN)和路由器(Router)組成。這里以采用以下原語實現：

???
??? 該原語由具有ZigBee協調器能力設備的應用層生成，發送給它的網絡層管理實體，請求初始化設備，使之成為一個新網絡的協調器。

???
??? 該原語返回在網絡中初始化一個ZigBee協調器請求的執行結果。如果成功執行了原語，則狀態參數設置為SUCCESS。
??? 設置ZigBee協調器以后，再采用NLME-PER-MIT-JOINING．request原語允許其他設備同其網絡連接。

????
??? PermitDuration中參數的有效值從0x00~0xFF，0x00和0xFF分別表示連接是否有效，沒有確定的時間限制，這里選擇0xFF。
??? 返回：
??? NLME-PERMIT-JOINING．confirm(
??? Status???????????????????? 與請求狀態相對應
??? )
??? 當收到該原語后，初始化的設備上層即得知允許其他設備連接網絡請求原語的執行結果，這里收到的結果應該為0xFF。
??? 在ZigBee網絡中，還要配置路由器，該原語如下：

??? 因為是采用的Mesh網絡，所以這里的Join-AsRouter的參數設置為TURE。
??? 一個新設備連接網絡成功后，就發送NLME-JOIN．indication原語，其語法如下：

???
??? 至此，一個完整的Zigbee網絡就建立成功。
??? 這個網絡具有很好的抗毀性，在Mesh網絡中，當一個鏈路或者一個設備失效時，上層的管理設備將要重新組織路由的信息。如果上層設備由于缺乏路由容量或者其他原因，該路由器設備將會給主協調器發送一個路由錯誤的指令幀，里面包含了失敗的原因。在必要的情況下，甚至可以從某一個節點開始，重新組織一個新的Mesh網絡。
??? 這里的ZigBee無線自組織網絡和Ad Hoc(無線自組織多跳網絡)還有一點區別，后者是在過一定的時間，重新選擇新的路由，而ZigBee

在某一個芯片出現故障時，會自動搜尋下一個路由，使得信息的傳輸不會受到影響；必要的時候，甚至可以選擇某一個芯片重新啟動整個網絡系統；而且采用這種方式，芯片之間接力傳遞，可以最大限度地提高網絡的覆蓋范圍。如果采用星型網絡，由于在終端節點不是FFD，而是RFD，如果FFD出現故障，整個系統就無法工作，另外其作用范圍也會受到限制。

4 DS18820芯片介紹
??? 美國Dallas半導體公司的數字化溫度傳感器DS1 820是世界上第一片支持“一線-總線”接口的溫度傳感器，在整個過程中主要有三個關鍵的步驟：
??? (1)搜尋DS18820的序列號。
??? (2)如主機控制DS18820完成溫度轉換這一過程。
??? (3)設定DS18820開始溫度轉換，讀取溫度的數值。
??? 根據DS18820的通訊協議：每一次讀寫之前都要對DS18820進行復位，復位成功后發送一條ROM指令，最后發送RAM指令，這樣才能對DS18820進行預定的操作。
??? DS18820分為讀程序和寫程序兩部分，其中讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。對于DS18820的讀時隙是從主機把單總線拉低之后，在15 s之內就得釋放單總線，以讓DS18820把數據傳輸到單總線上，DS18820在完成一個讀時序過程，至少需要60μs才能完成。DS18820的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。DS18820寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60μs，保證DS18820能夠在15～45μs之間能夠正確地采樣I／O總線上的“0”電平；當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15μs之內就得釋放單總線。

5 系統連接圖
??? 系統連接圖如圖2所示。

??? DS18820與單片機的連接在硬件上有兩種方法，一種是Vcc接外部電源，GND接地，I／O引腳與單片機的I／O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時Vcc，GND接地，I／O接單片機I／O引腳。無論是內部寄生電源還是外部供電，當傳感器DS18820處于寫存儲器操作和溫度A／D轉換操作時，總線上必須有較強的上拉，上拉開啟時間最大為10μs，這樣處理可以有效地降低功耗。

6 結 語
??? 綜上，在現代溫控系統中，采用無線通信的ZigBee技術，可以很方便地建立網絡，選用ZigBee支持的Mesh網絡，可以最大程度地增加網絡的抗毀性，而采用芯片接力傳遞的方式，可以最大程度地擴展網絡的覆蓋范圍。采用DS18820芯片也可以很好地采集溫度數據，完成采集和傳輸任務。對ZigBee芯片寫入不同的控制程序可以控制加熱器的時間和持續長度。