zigbee多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)

摘要:針對(duì)廣闊空間環(huán)境溫度釆集系統(tǒng)對(duì)功耗及成本的要求，設(shè)計(jì)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多點(diǎn)溫度釆集系統(tǒng).以CC2430為主控芯片,選用DS18B20作為溫度釆集節(jié)點(diǎn)的傳感器,基于ZigBee協(xié)議棧構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主從節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的釆集與傳輸,利用串口通信技術(shù)與PC機(jī)通信,并編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與敁1引言隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高，環(huán)境溫度指標(biāo)越來越多的影響到生產(chǎn)效率、能源消耗和生活水平。不管是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事及氣象領(lǐng)域，還是日常生活環(huán)境，都需要對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。W而,設(shè)計(jì)可靠且實(shí)用的溫度釆集系統(tǒng)顯得非常重要。在傳統(tǒng)的溫度釆集系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)一般釆用有線連接方式，布線繁瑣，擴(kuò)展性和可移植性較差。尤其對(duì)于廣闊空間環(huán)境中的溫度釆集,如果釆用有線方式其成本和功耗都比較高。而ZigBee作為一種新興的短距離、低功耗、低成本的無線通信技術(shù)，能廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)電子、家庭自動(dòng)化、醫(yī)療監(jiān)控各種領(lǐng)本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線技術(shù)的多點(diǎn)溫度釆集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了主從節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的無線傳輸，NJ時(shí)上位PC機(jī)釆用串口與主節(jié)點(diǎn)通信,并建立溫度數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)具有擴(kuò)展性好、穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便等特2系統(tǒng)整體概述本文設(shè)計(jì)的溫度釆集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)釆用ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，四個(gè)從節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。各個(gè)從節(jié)點(diǎn)連接數(shù)字溫度傳感器DS18B20定時(shí)釆集環(huán)境溫度,并通過無線傳感網(wǎng)片上系統(tǒng)片上系統(tǒng)(SOC)解決方案,集成了一個(gè)8051MCU內(nèi)核以及符合IEEE802.15.4規(guī)絡(luò)將數(shù)據(jù)依次M主節(jié)點(diǎn)發(fā)送，主節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后通過串口傳給上位PC機(jī)，上位機(jī)將釆集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并在監(jiān)控界面顯示溫度實(shí)時(shí)變化曲線。主節(jié)點(diǎn)上位PC機(jī)主節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)1從節(jié)點(diǎn)2從節(jié)點(diǎn)3從節(jié)點(diǎn)4圖1溫度釆集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)選擇CC2430作為主節(jié)點(diǎn)的處理器，該芯片是全球宵款支持ZigBee協(xié)議的

范的2.4GHz的無線收發(fā)器。芯片內(nèi)部有8kb的RAM,可選32/64/128kB的Flash存儲(chǔ)單元,包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、AES128協(xié)處理器等，同時(shí)提供了2個(gè)UART接口以及21個(gè)可編程I/O引腳。該芯片具有高度集成性和豐富的硬件資源，使得外圍電路的設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)單。主節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，作為全功能設(shè)備(FullFunctionDevice,FFD),負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建和維護(hù)、溫度釆集數(shù)據(jù)無線接收、與上位PC機(jī)串U通信。W此釆用CC2430-F128(128kBFlash)芯片，并在CC2430典型應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上擴(kuò)展串行通信接口，選)I]MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)TTL與RS232電平轉(zhuǎn)換。ZigBee主節(jié)點(diǎn)的硬件電路如圖2所示。CHId=34piCHId=34piC431muC431WD33V,~|0^WD33VinC741ZZ32HHi：C191^jS^DDJWAVDDSWSFHVPa咖mAWDPKEAVDDVCO0C0_WAM>O^VDDCHPHKB2A幻S^VDDJFl>><<muinC741ZZ32HHi：C191^jS^DDJWAVDDSWSFHVPa咖mAWDPKEAVDDVCO0C0_WAM>O^VDDCHPHKB2A幻S^VDDJFl>><<muTITVDD11miPOOP01窄uo0~aso-moutiaiHT11HC3*oCl.vw1PC_MCD~16Cl%owr<?r=^)liFC0\7hJVDDJ3Vm2ZigBee主節(jié)點(diǎn)電路3.2從節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)從W點(diǎn)主要負(fù)責(zé)溫度釆集和數(shù)據(jù)無線傳輸，可作為簡(jiǎn)化功能設(shè)備(Reduced44系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)44系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)FunctionDevice,RFD),以降低功耗和成本。芯片釆用CC2430-F32(32kBFlash),其硬件電路和主節(jié)點(diǎn)大致相同，只是去掉了串口通信電路,同時(shí)在從節(jié)點(diǎn)芯片的I/0口上接入多個(gè)溫度傳感器DS18B20以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的釆集。DS18B20是“單總線”數(shù)字溫度傳感器，其測(cè)量溫度范圍為-55°C?+125°C，支持3?5.5V電壓供電，主要由四部分組成:64位光刻ROM、溫度傳感器、非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器和配置寄存器。ROM中的64位序列號(hào)出廠前已光刻冏化,每個(gè)傳感器的序列號(hào)都是唯-?的，W此可以在一根總線上掛接多個(gè)DS18B20，能極大減少I/O口的占用。本系統(tǒng)中用DS18B20進(jìn)行多點(diǎn)溫度釆集時(shí),傳感器與從節(jié)點(diǎn)的CC2430的連接形式如圖3所示。圖3溫度傳感器節(jié)點(diǎn)連接圖由于ZigBee設(shè)備功耗很低，并且能設(shè)置成定時(shí)睡眠模式以進(jìn)一步畨電，而DS18B20本身功率也非常小，所以本系統(tǒng)中的主、從各節(jié)點(diǎn)均釆用2節(jié)1.5V電池供電即可滿足實(shí)際需要。1溫度傳感器數(shù)據(jù)釆集DS18B20可設(shè)定9?12位的分辨率，本系統(tǒng)采用12位分辨率，轉(zhuǎn)換精度為0.0625°C，轉(zhuǎn)換溫度信號(hào)所需最長時(shí)間為750ms。溫度數(shù)據(jù)由2字節(jié)組成，以符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ),：&低4位是小數(shù)部分,中間7位是整數(shù)部分，1位符號(hào)位。DS18B20內(nèi)部RAM由9個(gè)字節(jié)的高速緩存器和E2PR0M組成，前2個(gè)字節(jié)即為溫度數(shù)據(jù)。通過復(fù)位指令、ROM和RAM功能命令，即可完成對(duì)指定DS18B20溫度數(shù)據(jù)的采集和讀取，所有讀寫操作都是通過與CC2430的I/O口連接的DQ引腳完成。在一線制總線上串接多個(gè)DS18B20器件時(shí)，需要先發(fā)送跳過ROM指令，將所有傳感器都進(jìn)行一次溫度轉(zhuǎn)換，之后通過匹配ROM依次讀取每個(gè)傳感器的溫度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單I/O口上的多個(gè)DS18B20器件的操作。整個(gè)溫度釆集的流程如圖4所示。圖4DS18B20溫度釆集流程圖ZigBee無線組網(wǎng)及數(shù)據(jù)通信ZigBee通信協(xié)議釆用分層結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)通過在不同層上的特定服務(wù)來完成所要執(zhí)行的各種任務(wù)。木系統(tǒng)釆用TI提供的ZigBee2006協(xié)議棧Z-Stac:k，在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)規(guī)范,是_?種較好的無線傳感網(wǎng)絡(luò)組建方案。ZigBee設(shè)備類型按網(wǎng)絡(luò)功能分為三種:協(xié)調(diào)器、路由器、終端。由于本系統(tǒng)釆用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以只存在協(xié)調(diào)器和終端兩種設(shè)備。本系統(tǒng)中主節(jié)點(diǎn)被初始化為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，存儲(chǔ)容量最大、計(jì)算能力最強(qiáng)。它的功能是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信總、收發(fā)信總。從節(jié)點(diǎn)被初始化為無信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備。上電復(fù)位后，即幵始搜索指定信道上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并發(fā)出連接請(qǐng)求。建立連接成功后，從節(jié)點(diǎn)將得到一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)短地址,并釆用非時(shí)隙CSMA-CA機(jī)制，通過競(jìng)爭(zhēng)取得信道使用權(quán)，內(nèi)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。各從節(jié)點(diǎn)每30秒讀取一次I/O接口上多片溫度傳感器數(shù)值，同時(shí)開啟睡眠定時(shí)器，約數(shù)據(jù)發(fā)送成功后該節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入睡眠狀態(tài),最大程度地降低功耗，延長從節(jié)點(diǎn)的電池使用時(shí)間。數(shù)據(jù)包的格式由從節(jié)點(diǎn)串接的DS18B20的數(shù)量決定，每個(gè)DS18B20傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度定義為31字節(jié)為標(biāo)識(shí)符,包括從節(jié)點(diǎn)編號(hào)，CC2430的I/O口編號(hào)以及此溫度傳感器的編號(hào)，后2個(gè)字節(jié)為溫度釆集數(shù)據(jù)。主節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，把從節(jié)點(diǎn)上的每個(gè)溫度傳感器的數(shù)據(jù)釆集值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到實(shí)際的溫度值，然后發(fā)送給上位PC機(jī)。主從各節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)及通信流程如圖5所示。協(xié)謫器初始化傳感器節(jié)點(diǎn)初始化建立網(wǎng)絡(luò)嘗試加入網(wǎng)絡(luò)”否定時(shí)讀取各渥度傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)包給協(xié)調(diào)器從節(jié)點(diǎn)阿絡(luò)地址發(fā)送數(shù)據(jù)包給協(xié)調(diào)器4w<否<否”否”數(shù)據(jù)處理并發(fā)送至上位疋圖5主從節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信流程圖PC機(jī)串口通信及監(jiān)控滬汊僧rc〉灑度數(shù)振庫14:28-3014:29滬汊僧rc〉灑度數(shù)振庫14:28-3014:290014:293014:3000in/tn獅串口|邁度1|通度2U4通度528728428928128428828S：r-c28028.229.0286280i28528028.729.028.328.328.228828.628628328328728228729.028428.328.028.828.5287287288283286283288ji：tJ:29028028528928728828.628.8：3207ftf妁Fif舛fi14:2600圖6上位機(jī)軟件運(yùn)行界面上位機(jī)釆WVB編程語言編寫串口通信及數(shù)據(jù)庫程序,在工程中添加MSCornm控件實(shí)現(xiàn)串口傳輸和接收數(shù)據(jù)[4]。使WADO對(duì)象連接Access3前數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，將控件PictureBox作為容器,實(shí)現(xiàn)曲線圖的動(dòng)態(tài)顯示,此過程涉及到曲線、坐標(biāo)軸、格線和坐標(biāo)刻度的消隱和重繪。消隱的實(shí)現(xiàn)主要用背景色重繪曲線和網(wǎng)格線，并覆蓋坐標(biāo)刻度數(shù)字，重繪實(shí)時(shí)曲線和坐標(biāo)軸網(wǎng)格線通過Line方法來實(shí)現(xiàn)，坐標(biāo)軸刻度、標(biāo)簽、圖標(biāo)等的標(biāo)注使用Print方法實(shí)現(xiàn)[5]。當(dāng)程序開始運(yùn)行后，打幵串口，就可將接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)加入到各節(jié)點(diǎn)的歷史溫度數(shù)據(jù)庫，同時(shí)可以從運(yùn)行界面看到歷史溫度變化曲線。圖表中曲線的最右端為當(dāng)前溫度，點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)按鈕，然后選中指定的溫度數(shù)據(jù)框，即可查看對(duì)應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的溫度歷史數(shù)據(jù)和變化情況，軟件運(yùn)行時(shí)的界面如圖6所示。5結(jié)束語本文設(shè)計(jì)了一種