基于ZigBee的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計方案.doc

基于 ZigBee 的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計方案傳統(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)控室之間鋪設電纜的有線方式，不僅耗費人力，而且具有布線不易、維護困難等缺點，對于監(jiān)測范圍廣或環(huán)境惡劣的地方往往顯得無能為力。無線傳感器網絡( Wireless Sensor Network，WSN) 作為一種新興的信息獲取和處理技術，由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量傳感器組成，通過無線通信方式形成一個多跳自組織的網絡系統(tǒng)，可實時監(jiān)測、感知和采集網絡覆蓋區(qū)域內的各種環(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、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程環(huán)境中，在軍事應用、遠程監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、智能家庭網絡、搶險救災等領域有著廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿Α?托普物聯(lián)網因為ZigBee 技術以低功耗、低成本為目標為無線傳感器網絡提供了新的解決方案。故托普物聯(lián)網采用了支持 ZigBee 技術的CC2430 模塊來實現(xiàn)無線傳感器網絡，CC2430 內部集成了 51單片機，線路簡單，使用方便，但對于大批量數(shù)據的存儲和處理能力相對不足。本文設計了一種基于 ZigBee 的遠程無線溫度監(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)據處理與發(fā)布服務器進行相關的數(shù)據處理和信息發(fā)布，從而有效地實現(xiàn)在互聯(lián)網的任何位置對溫度的實時監(jiān)控。 1 系統(tǒng)架構 ZigBee 是一種新興的近距離、低功耗、低速率、低成本的無線傳感器網絡技術，工作于全球統(tǒng)一無需申請的頻段2.4GHz，其協(xié)議是依據 IEEE 802.15.4 技術的物理層和數(shù)據鏈路層的標準，并對其進行了完善和擴展而制定的。ZigBee 支持3種拓撲結構: 星型網、樹型網和網狀網，每種網絡都有各自的優(yōu)點，實際可根據應用來選擇。整個遠程無線溫度測量系統(tǒng)包括溫測終端、網絡協(xié)調器、數(shù)據處理與發(fā)布服務器以及用戶終端。溫測終端實時采集和發(fā)送各監(jiān)測點的溫度，與網絡協(xié)調器構成 ZigBee 無線星型網絡，由網絡協(xié)調器實現(xiàn)數(shù)據的協(xié)調和接收，并與數(shù)據處理與發(fā)布服務器進行串口通信，普通用戶終端可以通過 HTTP 協(xié)議在互聯(lián)網的任何位置監(jiān)控溫測終端的溫度，系統(tǒng)結構如圖 1所示。圖 1 系統(tǒng)結構 2 硬件設計溫測終端由溫度傳感器、無線通信、微處理器模塊等構成，用于對待測點的溫度進行采集，并通過無線通信網絡將信息發(fā)送至網絡協(xié)調器。網絡協(xié)調器是由微處理器和無線通信模塊組成，主要用于負責接收和控制各節(jié)點的溫度信息，并通過串口通信 RS232 將其傳送至服務器上進行顯示和處理。硬件結構如圖 2 和 3 所示。根據實際應用的需要，還可在終端節(jié)點上安裝顯示模塊或報警模塊，以方便網絡安裝測試，有利于監(jiān)測點附近人員進行實地測量或提供安全保障。圖 2 終端節(jié)點硬件結構圖 3 網絡協(xié)調器硬件結構 2.1 數(shù)據采集模塊 數(shù)據采集選用溫度傳感器 DS18B20，其采用了單總線結構，讀出或寫入信息僅需一根端口線，可直接將溫度轉化成串行數(shù)字信號進行處理，無需模數(shù)轉換，微處理器可直接讀取溫度數(shù)據進行處理。測量范圍 55 125 ，可編程為912 位A/D轉換精度，對應的可辨溫度分別為0.5 、0.25 、0.125 和0.0625，可用數(shù)據線供電，電壓范圍為3.05.5V，12位分辨率時最多在750ms內把溫度轉換為數(shù)字。因其具微型化、低功耗、精度高、響應時間短、抗干擾能力強等特點，非常適合溫度檢測。 2.2 ZigBee 無線通信模塊該模塊采用TI公司生產的 CC2420,支持 IEEE802.15.4協(xié)議，工作在全球免費開放的2.4 GHz頻帶，有效數(shù)據傳輸速率為 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，內部集成有VCO以及電源整流器，采用低電壓供電(2.13.6V)，若使用外部電壓調節(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)據的設置和收發(fā)，抗鄰頻帶干擾能力強。 2.3 微處理器模塊微處理器選用ATMEGA系列的16L型單片機，該芯片是高性能、低功耗的 8 位 AVR RISC 結構微處理器，具有較高的處理速度，內部設有 SPI 接口，兩個串行通信口，可在 3.3 V電壓下進行低功耗工作，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接口工作在主機模式，它是 SPI 數(shù)據傳輸?shù)目刂品?，CC2420 設為從機工作方式。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單片機與CC2420 接口電路RS232串口通信與之間選用工作電壓為3.3 V的MAX3232 電平轉換芯片，以完成雙向電平和邏輯關系直接的轉換。由于該無線網絡要求要具有很強的移動性，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，成本低。圖 4 單片機與 CC2420 接口電路 3 軟件設計 整個系統(tǒng)的軟件設計包括數(shù)據采集、通信控制、監(jiān)控中心三個部分。其中，數(shù)據采集軟件運用在無線終端節(jié)點的單片機上，主要任務是負責采集溫度數(shù)據并實現(xiàn)無線收發(fā)。通信控制軟件運行在協(xié)調器的單片機之上，控制無線終端節(jié)點系 統(tǒng)地按照上位機操作指令進行工作以及傳送數(shù)據，它是整個系統(tǒng)程序的控制核心。單片機的編程語言均采用 C 語言。監(jiān)控中心軟件運行在服務器上，控制節(jié)點的工作狀態(tài)，對下位機發(fā)送的溫度數(shù)據進行有效處理，將數(shù)據進行顯示、保存、繪圖和信息發(fā)布等。 3 1 無線節(jié)點軟件設計上電，首先是對單片機的端口進行初始化，SPI 接口初始化，以及 CC2420 的內部寄存器進行初始化，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。網絡構建完畢后，若收到網絡協(xié)調器發(fā)送到測量指令，則開始采集溫度數(shù)據，并將數(shù)據發(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 網絡協(xié)調器軟件設計系統(tǒng)上電，對單片機和 CC2420 等硬件進行初始化，建立無線傳感器網絡，然后設置其為空閑模式，等待上位機發(fā)送的指令，收到則根據指令信息控制相應的無線節(jié)點測溫和發(fā)送數(shù)據，并將接收到的數(shù)據通過串口通信傳送給服務器。流程如圖6所示。圖 6 網絡協(xié)調器流程 3.3 監(jiān)控中心軟件設計 監(jiān)控中心軟件包括數(shù)據處理和信息發(fā)布兩個部分。數(shù)據處理模塊基于VC+ 6.0 實現(xiàn)，其主要工作包括串口通信的收發(fā)和數(shù)據處理。其中串口通信采用微軟提供的 MSComn 控件實現(xiàn)，數(shù)據處理與發(fā)布服務器通過 MSComn 控件，可簡單高效地實現(xiàn)與網絡協(xié)調器之間的通信。數(shù)據收發(fā)基于中斷方式，設置 MSComn 控件的 OnComm 事件來捕獲數(shù)據并處理。數(shù)據處理模塊帶有一個監(jiān)控軟件界面，可實時顯示各監(jiān)測點溫度數(shù)據、測量時間和溫度曲線，能設定溫度采集間隔和報警溫度界限值。監(jiān)測溫度數(shù)據同時保存到 SQL Server 數(shù)據庫以方便用戶進行歷史數(shù)據的查詢分析，溫度數(shù)據表字段包括: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)據庫的溫度信息表，做成溫度信息發(fā)布網站部署到 IIS 服務器，然后，用戶就可以以訪問網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 網站還支持在遠程完成類似數(shù)據處理模塊的監(jiān)控軟件功能，設定某個溫測終端的溫度采集間隔和報警溫度界限值等。 4 實驗測試本文構造了兩個無線監(jiān)測點來對系統(tǒng)進行性能測試。系統(tǒng)上電，無線網絡建立后，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，比如測量間隔為 30 s。為方便進行網絡測試，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。經測試