基于ZigBee的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案及對策

1、-. z.基于 ZigBee 的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)大多采用人工測量或在測量點與監(jiān)控室之間鋪設(shè)電纜的有線方式，不僅消耗人力，而且具有布線不易、維護(hù)困難等缺點，對于監(jiān)測*圍廣或環(huán)境惡劣的地方往往顯得無能為力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)( Wireless Sensor Network，WSN) 作為一種新興的信息獲取和處理技術(shù)，由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量傳感器組成，通過無線通信方式形成一個多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并將其發(fā)送至終端用戶。其具有抗毀性強(qiáng)、監(jiān)測精度高、覆蓋區(qū)域大等特點，通常運行在人無法接近的惡劣甚至危險的遠(yuǎn)程環(huán)境中，在

2、軍事應(yīng)用、遠(yuǎn)程監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、智能家庭網(wǎng)絡(luò)、搶險救災(zāi)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景和開展?jié)摿ΑＭ衅瘴锫?lián)網(wǎng)因為ZigBee 技術(shù)以低功耗、低本錢為目標(biāo)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了新的解決方案。故托普物聯(lián)網(wǎng)采用了支持 ZigBee 技術(shù)的CC2430 模塊來實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，CC2430 內(nèi)部集成了 51單片機(jī)，線路簡單，使用方便，但對于大批量數(shù)據(jù)的存儲和處理能力相對缺乏。本文設(shè)計了一種基于 ZigBee 的遠(yuǎn)程無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用 DS18B20 采集溫度信息，然后通過由 CC2420 和ATMEGA16 位單片機(jī)組成的模塊實現(xiàn)無線傳輸，并將信息通過串口通信 RS232 傳送給數(shù)據(jù)處理與發(fā)布效勞器進(jìn)

3、展相關(guān)的數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)布，從而有效地實現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的任何位置對溫度的實時監(jiān)控。1 系統(tǒng)架構(gòu) ZigBee 是一種新興的近距離、低功耗、低速率、低本錢的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作于全球統(tǒng)一無需申請的頻段2.4GHz，其協(xié)議是依據(jù) IEEE 802.15.4 技術(shù)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)，并對其進(jìn)展了完善和擴(kuò)展而制定的。ZigBee 支持3種拓?fù)錁?gòu)造: 星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，每種網(wǎng)絡(luò)都有各自的優(yōu)點，實際可根據(jù)應(yīng)用來選擇。整個遠(yuǎn)程無線溫度測量系統(tǒng)包括溫測終端、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)處理與發(fā)布效勞器以及用戶終端。溫測終端實時采集和發(fā)送各監(jiān)測點的溫度，與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器構(gòu)成 ZigBee 無線星型網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)

4、器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)和接收，并與數(shù)據(jù)處理與發(fā)布效勞器進(jìn)展串口通信，普通用戶終端可以通過 HTTP 協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)的任何位置監(jiān)控溫測終端的溫度，系統(tǒng)構(gòu)造如圖 1所示。圖 1 系統(tǒng)構(gòu)造 2 硬件設(shè)計溫測終端由溫度傳感器、無線通信、微處理器模塊等構(gòu)成，用于對待測點的溫度進(jìn)展采集，并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是由微處理器和無線通信模塊組成，主要用于負(fù)責(zé)接收和控制各節(jié)點的溫度信息，并通過串口通信 RS232 將其傳送至效勞器上進(jìn)展顯示和處理。硬件構(gòu)造如圖 2 和 3 所示。根據(jù)實際應(yīng)用的需要，還可在終端節(jié)點上安裝顯示模塊或報警模塊，以方便網(wǎng)絡(luò)安裝測試，有利于監(jiān)測點附近人員進(jìn)展實地測量或

5、提供平安保障。圖 2 終端節(jié)點硬件構(gòu)造圖 3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件構(gòu)造 2.1 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集選用溫度傳感器 DS18B20，其采用了單總線構(gòu)造，讀出或?qū)懭胄畔H需一根端口線，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號進(jìn)展處理，無需模數(shù)轉(zhuǎn)換，微處理器可直接讀取溫度數(shù)據(jù)進(jìn)展處理。測量*圍55 125 ，可編程為912 位A/D轉(zhuǎn)換精度，對應(yīng)的可辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可用數(shù)據(jù)線供電，電壓*圍為3.05.5V，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字。因其具微型化、低功耗、精度高、響應(yīng)時間短、抗干擾能力強(qiáng)等特點，非常適合溫度檢測。 2.2 ZigBee 無線通信模塊該模

6、塊采用TI公司生產(chǎn)的 CC2420,支持協(xié)議，工作在全球免費開放的2.4 GHz頻帶，有效數(shù)據(jù)傳輸速率為 250 Kbps。芯片功耗低，具有超低電流消耗: 接收 19.7mA，發(fā)射 17.4 mA，內(nèi)部集成有VCO以及電源整流器，采用低電壓供電(2.13.6V)，假設(shè)使用外部電壓調(diào)節(jié)器時供電電壓為1.6 2.0V;可編程輸出功率; 芯片提供了SPI接口與微處理器連接，可完成數(shù)據(jù)的設(shè)置和收發(fā)，抗鄰頻帶干擾能力強(qiáng)。 2.3 微處理器模塊微處理器選用ATMEGA系列的16L型單片機(jī)，該芯片是高性能、低功耗的 8 位 AVR RISC 構(gòu)造微處理器，具有較高的處理速度，內(nèi)部設(shè)有 SPI 接口，兩個串行

7、通信口，可在 3.3 V電壓下進(jìn)展低功耗工作，易與選用的無線模塊 CC2420 配合使用。該處理器在 3 V，1 MHz，2 5時正常功耗為1.1 mA，空閑模式0.35 mA，掉電模式1 霢。CC2420通過簡單的四線( SI、SO、SCLK、CSn) 與 SPI 兼容串行接口配置，其中ATmega的SPI接口工作在主機(jī)模式，它是 SPI 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂品?，CC2420 設(shè)為從機(jī)工作方式。兩者的接口電路如圖 4 所示，外圍再配以晶振及電容、輸入、輸出匹配元件和電源去耦電容等少量元件。晶振電路采用的是8MHz 晶振，工作電壓選取的是3.3V。圖4單片機(jī)與CC2420 接口電路RS232串口通信

8、與之間選用工作電壓為3.3 V的MA*3232 電平轉(zhuǎn)換芯片，以完成雙向電平和邏輯關(guān)系直接的轉(zhuǎn)換。由于該無線網(wǎng)絡(luò)要求要具有很強(qiáng)的移動性，故要求其要具有穩(wěn)定的電源供電且必須是低功耗工作。本文選用5V電池供電，通過 LM1117 將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V，從而有效地增加了終端節(jié)點的靈活性和可移動性，攜帶方便，本錢低。圖 4 單片機(jī)與 CC2420 接口電路 3 軟件設(shè)計整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括數(shù)據(jù)采集、通信控制、監(jiān)控中心三個局部。其中，數(shù)據(jù)采集軟件運用在無線終端節(jié)點的單片機(jī)上，主要任務(wù)是負(fù)責(zé)采集溫度數(shù)據(jù)并實現(xiàn)無線收發(fā)。通信控制軟件運行在協(xié)調(diào)器的單片機(jī)之上，控制無線終端節(jié)點系統(tǒng)地按照上位機(jī)操作指令進(jìn)展

9、工作以及傳送數(shù)據(jù)，它是整個系統(tǒng)程序的控制核心。單片機(jī)的編程語言均采用 C 語言。監(jiān)控中心軟件運行在效勞器上，控制節(jié)點的工作狀態(tài)，對下位機(jī)發(fā)送的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)展有效處理，將數(shù)據(jù)進(jìn)展顯示、保存、繪圖和信息發(fā)布等。 3 1 無線節(jié)點軟件設(shè)計上電，首先是對單片機(jī)的端口進(jìn)展初始化，SPI 接口初始化，以及 CC2420 的內(nèi)部存放器進(jìn)展初始化，其中 CC2420 初始化主要是對發(fā)送信息指針、頻道的選取、PANID、源地址的操作等。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完畢后，假設(shè)收到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送到測量指令，則開場采集溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送，否則一直處于休眠狀態(tài)。流程如圖 5 所示。圖 5 無線節(jié)點流程 3.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計系統(tǒng)上

10、電，對單片機(jī)和 CC2420 等硬件進(jìn)展初始化，建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后設(shè)置其為空閑模式，等待上位機(jī)發(fā)送的指令，收到則根據(jù)指令信息控制相應(yīng)的無線節(jié)點測溫和發(fā)送數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)通過串口通信傳送給效勞器。流程如圖6所示。圖 6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器流程 3.3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計監(jiān)控中心軟件包括數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)布兩個局部。數(shù)據(jù)處理模塊基于VC+ 6.0 實現(xiàn)，其主要工作包括串口通信的收發(fā)和數(shù)據(jù)處理。其中串口通信采用微軟提供的 MSn 控件實現(xiàn)，數(shù)據(jù)處理與發(fā)布效勞器通過 MSn 控件，可簡單高效地實現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間的通信。數(shù)據(jù)收發(fā)基于中斷方式，設(shè)置 MSn 控件的 Onm 事件來捕獲數(shù)據(jù)并處理。數(shù)據(jù)處理

11、模塊帶有一個監(jiān)控軟件界面，可實時顯示各監(jiān)測點溫度數(shù)據(jù)、測量時間和溫度曲線，能設(shè)定溫度采集間隔和報警溫度界限值。監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)同時保存到 SQL Server 數(shù)據(jù)庫以方便用戶進(jìn)展歷史數(shù)據(jù)的查詢分析，溫度數(shù)據(jù)表字段包括:Time( 采集時間)，Temper( 溫度值)，Position( 溫測終端位置) 。信息發(fā)布模塊基于 ASP.net實現(xiàn)，實現(xiàn)過程主要是通過讀取SQL Server 數(shù)據(jù)庫的溫度信息表，做成溫度信息發(fā)布部署到 IIS 效勞器，然后，用戶就可以以訪問網(wǎng)頁的形式在任何位置查看任意溫測終端的溫度信息了。同時，ASP.net 還支持在遠(yuǎn)程完成類似數(shù)據(jù)處理模塊的監(jiān)控軟件功能，設(shè)定*個溫測終端的溫度采集間隔和報警溫度界限值等。 4 實驗測試本文構(gòu)造了兩個無線監(jiān)測點來對系統(tǒng)進(jìn)展性能測試。系統(tǒng)上電，無線網(wǎng)絡(luò)建立后，由用戶選擇測試節(jié)點，溫度的測量間隔可由用戶任意定義，比方測量間隔為 30 s。為方便進(jìn)展網(wǎng)絡(luò)測試，各無線監(jiān)測點用 LCD 實時顯示測量溫度值，監(jiān)測軟件操作界面與實時溫度曲線如圖 7 所示。經(jīng)測試，系