基于ZigBee技術的無線溫度測量系統(tǒng)設計

出處：hjb012 發(fā)布于：2012-04-28 10:15:17

　　摘要：針對有線測量系統(tǒng)的布線紛繁復雜，系統(tǒng)容易老化，成本高，靈活性差，不具有可移動性的缺點進行了基于CC2480 IEEE 802.15.4/ZigBee 片上解決方案和DS18B20 數字溫度傳感器的無線溫度測量系統(tǒng)的設計。系統(tǒng)能夠實現(xiàn)采集待測對象內任意點處的溫度值，并能向用戶端顯示所采集到的溫度值。該系統(tǒng)方便架設，易于使用和維護。

　　0 引言

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化技術的不斷進步，ZigBee 無線通信技術的發(fā)展日益成熟，其被廣泛應用于無線傳感器測量網絡、工農業(yè)監(jiān)控、智能交通、智能家居等眾多領域。ZigBee 無線通信技術的低功耗、短距離、低成本、布網靈活等特點十分適用于需要自動連續(xù)采集數據、局域分布測量、大范圍聯(lián)網數據處理的測量場合。

　　傳統(tǒng)的有線溫度采集系統(tǒng)，布線紛繁復雜，系統(tǒng)容易老化，成本高，靈活性差，不具有可移動性，而無線溫度采集傳輸系統(tǒng)能解決這些問題，并能節(jié)約人力資源。利用無線溫度采集傳輸技術還可以減少工作人員的人身危害，不用他們冒險就可以采集到現(xiàn)場的溫度。

　　本文設計了一種基于ZigBee 無線通信技術的溫度測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了節(jié)點間的無線通信，同時上位機對溫度信息進行收集，并進行統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)擴展性好，維護方便。

　　1 系統(tǒng)總體方案設計

　　由于zigbee 網絡拓撲結構有星形，樹形，網狀3 種模式，按照網絡節(jié)點功能劃分可分為終端節(jié)點（ep）、路由器節(jié)點（rp）和協(xié)調器節(jié)點（cp）3 種。其組織結構如圖1 所示。

圖1 ZigBee 網絡拓撲結構

　　其中，協(xié)調器節(jié)點負責發(fā)起并維護一個無線網絡，識別網絡中的設備加入網絡；路由器節(jié)點支撐網絡鏈路結構，完成數據包的轉發(fā)；終端節(jié)點是網絡的感知者和執(zhí)行者，負責數據采集和可執(zhí)行的網絡動作。這就要求ZigBee網絡節(jié)點需扮演終端感知者、網絡支持者、網絡協(xié)調者3種角色。在本設計中，考慮到各種局限，采用星型結構，整個系統(tǒng)有若干個終端節(jié)點，一個協(xié)調器節(jié)點，沒有路由節(jié)點。系統(tǒng)的總體結構框圖如圖2 所示。

圖2 多點無線溫度測量系統(tǒng)框圖

　　終端節(jié)點將采集到的溫度信息無線傳輸給協(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器節(jié)點負責管理所有與之相連的終端節(jié)點，負責與之組網，并接受來自終端節(jié)點的溫度信息以及終端節(jié)點的信息并將所有的信息傳送給PC機，顯示給用戶。對于一些控制系統(tǒng)，PC機還可以針對不同的應用情況進行分析從而做出不同的控制。

　　2 終端節(jié)點設計

　　終端節(jié)點利用數字溫度傳感器DS18B20 采集溫度信息，將溫度信息送交微控制器CC2480 進行初步處理，通過CC2480 芯片中集成的RF 射頻天線將溫度信息以及發(fā)送端的信息傳送給協(xié)調器節(jié)點。功能上主要有3 個模塊：溫度采集模塊，微控制模塊，無線通信模塊。其對應的硬件模塊如圖3 所示。

圖3 終端節(jié)點硬件設計

　　2.1 溫度采集模塊

　　溫度采集模塊實現(xiàn)從環(huán)境中采集溫度信息。由于CC2480 芯片里集成的模擬溫度傳感器不高，需要人工校準，故本設計采用數字溫度傳感器DS18B20 與CC2480 實現(xiàn)溫度傳感應用。DS18B20 是美國Dallas 半導體公司推出的一種智能數字溫度傳感器。它能夠直接讀出被測溫度，并可根據實際要求通過編程實現(xiàn)9~12 位的數字值讀數方式，可以測量- 55℃~+125℃的溫度，在- 10℃~+85℃溫度范圍內具有±0.5℃。從DS18B20讀出信息或是寫入DS18B20 信息僅需要1 根口線（即單總線接口）。溫度變換、讀取等所需的能量由總線提供，無需外接電源。使用DS18B20 可以節(jié)省系統(tǒng)資源、使系統(tǒng)結構更趨簡單，可靠性更高，更節(jié)能，更適用于溫度緩變場所的長時間溫度監(jiān)測。

　　2.2 微控制模塊

　　微控制模塊實現(xiàn)對溫度信息的預處理以及將溫度信息發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點。微處理器是基于TI 公司生產的CC2480 芯片。該CC2480 芯片是TI 公司在2008 年4 月30 日推出的首款經ZigBee 的新Z- Accel 系列網絡處理器，是基于IEEE 802.15.4/ZigBee 無線通信協(xié)議的無線傳感器網絡的集成芯片。CC2480 芯片內嵌入高性能和低功耗的8051 微控制器核，集成了符合IEEE802.15.4/Zig-Bee 標準的2.4GHz 頻段的RF 無線電收發(fā)模塊，還集成了12 位的模數轉換ADC模塊，具有電池檢測和溫度傳感功能，具有串口等豐富的接口資源。它能夠簡化設計，縮短開發(fā)時間。圖4 所示是CC2480 外圍電路圖。

圖4 CC2480 外圍電路圖

　　3 協(xié)調器節(jié)點設計

　　協(xié)調器節(jié)點主要功能：接收來自發(fā)送端的溫度數據信息和發(fā)送端的節(jié)點信息，并對信息進行處理，接收端將處理好的信息傳送給上位機進行顯示。功能上主要有：無線通信模塊，微處理模塊，串口通信模塊。對應的硬件圖如圖5 所示。

圖5 接收部分系統(tǒng)框圖

圖5 接收部分系統(tǒng)框圖。

　　3.1 無線通信模塊

　　CC2480 無線模塊主要由電源、復位電路、串口連接電路和無線收發(fā)電路組成。TTL電平與PC機的RS232 電平并不是兼容的，故在發(fā)送數據時，RS232 串口數據經過MAX232 將電平轉換為TTL電平，再通過CC2480 無線發(fā)送。接收數據則是發(fā)送數據的逆過程，CC2480 先接收到數據信號，然后經MAX232 將TTL電平轉換為RS232 的標準電平，再通過RS232 向上位機輸入數據。

　　4 系統(tǒng)軟件設計

　　程序設計主要包括幾個方面：各個節(jié)點中的功能模塊驅動程序設計，系統(tǒng)組網程序設計，協(xié)調器節(jié)點與上位機通信程序設計。在整個系統(tǒng)中，每個節(jié)點都是用了ZigBee協(xié)議，在ZigBee 協(xié)議中，廠商已經提供眾多函數：包括新建網絡，設備加入和離開網絡，發(fā)送網絡信標幀，尋找父節(jié)點和子節(jié)點，發(fā)送和接收數據包等。

　　整個系統(tǒng)的主要函數包括主函數、溫度測量、無線組網和通信函數。系統(tǒng)開始時，協(xié)調器首先初始化，協(xié)調器包含所有網絡信息，它負責發(fā)送網絡信標，建立網絡，等待終端節(jié)點的加入。終端節(jié)點初始化后開始尋找指定信道上的協(xié)調器，并發(fā)出請求。建立連接后，終端節(jié)點會獲得相應的網絡地址，并向協(xié)調器節(jié)點發(fā)送溫度信息。協(xié)調器節(jié)點收到溫度信息，并對數據信息進行處理然后發(fā)給上位機。

　　圖6 所示是系統(tǒng)的總流程圖。

圖6 系統(tǒng)總流程圖

　　5 結語

　　基于CC2480 芯片的無線溫度測量系統(tǒng)，采用ZigBee協(xié)議棧，做到了真正意義上的無線組網，所有的傳感器都處在一個無線網絡中。由于ZigBee 協(xié)議的低功耗，可靠性高，擴充性良好等特點，本設計還可以改成溫度測量控制系統(tǒng)。如果將傳感器換成其他類型的傳感器，如濕度傳感器、煙火傳感器，氣體傳感器，紅外傳感器組成無線傳感器網絡，本設計還可以用在智能家居，現(xiàn)代農業(yè)，現(xiàn)代工業(yè)等諸多方面。如果在本系統(tǒng)上加上控制模塊，本設計就可用在現(xiàn)代農業(yè)，現(xiàn)代工業(yè)等領域的智能控制系統(tǒng)中。