基于ZigBee的溫度監(jiān)控系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、基于ZigBee的溫度監(jiān)控系統(tǒng)摘 要：近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無線通信技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，無線通訊網(wǎng)絡(luò)成為一個在國際上備受關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)的研究領(lǐng)域。目前各種無線技術(shù)百花爭艷，競爭非常的激烈，無線生活即將到來。從手機(jī)通信用的GPRS,到短距離用的藍(lán)牙，電腦無線上網(wǎng)用過的Wi-Fi，各種無線通信技術(shù)已經(jīng)遍布我們的生活中，然而從2004年IEEE制定出一種新的無線通信協(xié)議后，這似乎又預(yù)示著一種新的革命，雖然他的速度不是想象中的那么迅速，但是這種苗頭已經(jīng)悄悄地成長起來。他就是備受人們關(guān)注的zigbee協(xié)議。本文在各種無線通信中選取一種最具競爭力的藍(lán)牙技術(shù)與zigbee技術(shù)對比，在對比出

2、雙方優(yōu)越性之后我們選取了zigbee協(xié)議作為我們畢業(yè)設(shè)計。本畢業(yè)設(shè)計主要利用zigbee網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控各種生產(chǎn)車間各個地點(diǎn)的溫度值，然后通過zigbee網(wǎng)絡(luò)傳遞到監(jiān)控室，上位機(jī)能夠?qū)崟r的顯示各個監(jiān)控點(diǎn)對應(yīng)的溫度，并且可以設(shè)置對個不同監(jiān)控點(diǎn)的報警溫度，溫度超過報警值時上位機(jī)可以視覺報警，在現(xiàn)場監(jiān)控點(diǎn)可以聲音報警，并且可以隨意增加監(jiān)控點(diǎn)，隨意移動監(jiān)控點(diǎn)，傳輸數(shù)據(jù)安全穩(wěn)定可靠，采用電池供電，操作非常方便，避免了繁瑣的拉線等操作。最后通過溫度采集實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)，效果良好。關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)，zigbee，cc2530，溫度監(jiān)控前言隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)整

3、合水平的不斷發(fā)展，對監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、數(shù)據(jù)接口的開放性以及數(shù)據(jù)鏈接的安全性的要求越來越高，有線控制網(wǎng)絡(luò)的局限性也越來越突出。相繼問世。其中ZigBee短程無線網(wǎng)技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)備成本低、電池壽命長等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領(lǐng)域中展現(xiàn)了深厚的發(fā)展?jié)摿?。ZigBee是一種近年來才興起的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它出現(xiàn)的時間較短，2004年底才由ZigBee聯(lián)盟發(fā)布了1.0版本規(guī)范，尚未進(jìn)入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用;但是，它的上升勢頭十分明顯，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司在2005年4月通過了ZigBee聯(lián)盟對其產(chǎn)品所作的測試和兼容性驗(yàn)

4、證。預(yù)計從今年開始，基于ZigBee的無線通信產(chǎn)品和應(yīng)用會迅速得到普及和高速發(fā)展2-4。將設(shè)備數(shù)據(jù)采集之后再通過無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸是ZigBee技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中的一種應(yīng)用，這種新興的技術(shù)必將給工廠現(xiàn)代化注入新的活力。ZigBee技術(shù)填補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空白，其使用的便捷性是該技術(shù)成功的關(guān)鍵，它適用于短距離小范圍的基于無線通信的控制領(lǐng)域，必將在工業(yè)自動化等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。數(shù)據(jù)采集技術(shù)已經(jīng)相對成熟，將它重新構(gòu)建于ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺之上，將成熟技術(shù)的穩(wěn)定性和新技術(shù)的便捷性充分結(jié)合起來，這種結(jié)合對于工業(yè)現(xiàn)場十分必要。減少了在某些場所有線網(wǎng)絡(luò)布線以及工人人工采集

5、數(shù)據(jù)的不便，同時可以方便的于各種傳感器搭配用于不同的場合。一、zigbee應(yīng)用有了ZigBee的一些技術(shù)優(yōu)勢，也談到了不足之處，目前有些說法把它跟其它他的無線技術(shù)，如Wi-Fi、Bluetooth、RFID、NFC等等進(jìn)行類比，說某種技術(shù)不如另一種，甚至說某種技術(shù)要取代另一種，這樣的說法是片面的。作為一種低速率的短距離無線通信技術(shù)，ZigBee有其自身的特點(diǎn)，因此應(yīng)該有為它量身定做的應(yīng)用，盡管在某些應(yīng)用方面可能和其他技術(shù)重疊。下面就來簡單看看ZigBee可能的一些應(yīng)用，包括智能家庭、工業(yè)控制、自動抄表、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和電信應(yīng)用。二、系統(tǒng)總體設(shè)計1.系統(tǒng)總體方案Zigbee的主要優(yōu)勢是

6、低功耗和組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的組建是zigbee不同于其他無線協(xié)議的主要優(yōu)勢所在，一個網(wǎng)絡(luò)的組建形式?jīng)Q定了整個系統(tǒng)能否暢通，順利的工作，因此選擇合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是非常重要的。為了實(shí)現(xiàn)任意無線節(jié)點(diǎn)之間都可以傳遞信息的目標(biāo)，在串狀連接方式的基礎(chǔ)上又發(fā)展了網(wǎng)狀連接方式。網(wǎng)狀連接方式又稱為點(diǎn)到點(diǎn)到點(diǎn)（point-to-point-topoint）方式，它與傳統(tǒng)的點(diǎn)到多點(diǎn)連接方式最大的不同是，網(wǎng)狀連接方式中的每一個節(jié)點(diǎn)都有無線微處理器，所以無需無線路由器就可以實(shí)現(xiàn)與另一節(jié)點(diǎn)之間的互連。由于這個新的網(wǎng)絡(luò)特征，每個無線節(jié)點(diǎn)不僅可以收發(fā)信息，還可以自動轉(zhuǎn)發(fā)信息到網(wǎng)絡(luò)中的其他任意節(jié)點(diǎn)。由于網(wǎng)狀連接方式中每個節(jié)點(diǎn)的智能化，所

7、以，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)故障時，附近的無線節(jié)點(diǎn)會代替該故障的節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)進(jìn)行信息的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)，從而大大提高了系統(tǒng)可靠性。同時，由于任意無線節(jié)點(diǎn)之間通過無線連接就如接力賽跑一樣，信息可以通過無線節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁h(yuǎn)的地方。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)如下圖圖2-3網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過傳感器節(jié)點(diǎn)采集溫度，并發(fā)送這些數(shù)據(jù)到中心收集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理。當(dāng)采集節(jié)點(diǎn)的距離太遠(yuǎn)是我們必須增加路由節(jié)點(diǎn)的傳遞采集節(jié)點(diǎn)要發(fā)給中心收集節(jié)點(diǎn)，在采集節(jié)點(diǎn)與中心收集節(jié)點(diǎn)之間合適的位置放置幾個路由器將大大提高整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定傳輸，為了簡單期間，只有一個中心節(jié)點(diǎn)收集這些信息，處理后通過串口送到計算機(jī)，這些信息可以在串口調(diào)試工

8、具或超級終端上看到。2、芯片的選擇zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無線收發(fā)模塊的協(xié)作下完成zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)，數(shù)據(jù)采集與處理，無線數(shù)據(jù)收發(fā)以及zigbee2007協(xié)議棧的正常運(yùn)行3。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計中可以根據(jù)成本與操作可行性等因數(shù)選擇不同的的設(shè)計方案，本設(shè)計選擇集微處理器模塊和無線收發(fā)模塊于一體的單芯片解決方案。設(shè)計選用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256，工作在2.4ghz頻段，是符合ieee 802.15.4規(guī)范的真正片上系統(tǒng)解決方案，也是目前眾多zigbee設(shè)備產(chǎn)品中表現(xiàn)最為出眾的微處理器之一。三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計1、硬件部分總

9、體介紹本設(shè)計將溫度傳感器采集來的數(shù)據(jù)通過zigbee協(xié)議傳遞到上位機(jī)顯示，并能夠在現(xiàn)場實(shí)時顯示采集的溫度，人機(jī)交互采用按鍵控制，LED燈閃爍，和數(shù)碼管指示，系統(tǒng)框圖如下圖。2、電源部分設(shè)計CC2530的供電電源為3.3V，其誤差范圍為±0.5V。我們最常用的電源為5V，比如普通的直流電源和電腦的USB借口電源都是5V的，所以如果給CC2530供電我們有兩種選擇。第一普通的干電池電壓在1.5V左右，如果是新干電池其電壓范圍一般都在1.5V以上，所以兩節(jié)干電池串聯(lián)起來其電壓值可以達(dá)到3.2V左右，實(shí)際測量中其值為就在3.2V左右，這個誤差范圍在CC2530電源誤差范圍之內(nèi)，所以用干電池供

10、電時一種供電方式。第一我們采用穩(wěn)壓芯片，在市場中最常用的3.3V穩(wěn)壓芯片為AMS1117，如圖3-2所示圖3-2 AMS1117其典型電路圖如下圖圖3-3 AMS1117典型電路使用輸入旁路電容，10uF的鉭電容適用于幾乎所有的應(yīng)用。輸出電容如果使用鉭電容，AMS1117要求輸出電容的最小值為10uF。真對本設(shè)計的電源設(shè)計如下圖所示圖3-4 供電電源電路3、顯示部分的設(shè)計本設(shè)計的顯示采用數(shù)碼管顯示，如下圖所示圖3-5 供電電源電路4、按鍵部分設(shè)計針對按鍵這部分，在自己的硬件上根據(jù)TI這種按鍵的使用方法制作了AD鍵盤，AD鍵盤共有5個按鍵，分別為上、下、左、右、中原理圖如下圖，在PCB布局上就按

11、照1-5分別對應(yīng)上下左右中的順序布局。圖3-6 AD鍵盤電路5、 溫度采集與報警設(shè)計51溫度采集電路溫度傳感器我們采用單總線的DS18B20，其硬件電路比較簡單，使用比較方便，而且讀取的溫度值非常準(zhǔn)確，適用與一般環(huán)境下的溫度采集。其電路圖如下圖所示圖3-8 普通按鍵電路5.2報警電路這里我們采用無源蜂鳴器，這樣報警的音調(diào)我們可以自己去控制，報警電路如下圖所示圖3-9 報警電路6 、其余電路的設(shè)計6.1 串口調(diào)試電路的設(shè)計電路圖如下所示圖3-10 串口電路6.2 狀態(tài)指示燈電路的設(shè)計狀態(tài)指示燈的設(shè)計就比較簡單，其原理圖如下圖圖3-11 指示燈電路四、系統(tǒng)軟件的設(shè)計4.1軟件部分總體介紹軟件設(shè)計整

12、體流程本設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇樹狀結(jié)構(gòu)，樹狀結(jié)構(gòu)必須有路由的加入，所以本設(shè)計的軟件部分設(shè)計分別要對協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行設(shè)計。下圖為整個系統(tǒng)的流程圖圖4-1 系統(tǒng)整體流程從圖中可以看出，終端節(jié)點(diǎn)有兩種與協(xié)調(diào)器的通信方式，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)檢測到的協(xié)調(diào)器信號強(qiáng)度超過路由器時，將直接與協(xié)調(diào)器通信，相反如果檢測不到協(xié)調(diào)器的信號或者信號強(qiáng)度比路由節(jié)點(diǎn)的若，則通過路由節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器。4.2協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)創(chuàng)建和維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)，為每個加入該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配一個網(wǎng)絡(luò)地址，在協(xié)調(diào)器啟動時其網(wǎng)絡(luò)地址將自動設(shè)置為0x0000。本設(shè)計協(xié)調(diào)器的工作流程圖如下圖圖4-13協(xié)調(diào)器啟

13、動流程圖4.3路由的軟件設(shè)計路由器的設(shè)計相對協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備要簡單些，設(shè)置其啟動類型后他就負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，只起到一個中繼器的作用，在z-stack中我們編譯文件f8wRouter.cfg就能把設(shè)備初始化為一個路由設(shè)備，在該文件中在Router Settings里只定義了-DRTR_NWK這比協(xié)調(diào)器少了一個-DZDO_COORDINATOR，所以設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)路由的功能了。路由的工作流程相對協(xié)調(diào)器要簡單很多，如下圖所示圖4-14路由啟動流程圖4.4終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集溫度數(shù)據(jù)，發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并能夠?qū)崟r的報警。因此終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計包括其本身終端節(jié)點(diǎn)的功能外，還要設(shè)計溫

14、度采集部分，和報警部分。終端節(jié)點(diǎn)的流程如下圖所示。圖4-15終端節(jié)點(diǎn)流程圖五、上位機(jī)設(shè)計上位機(jī)負(fù)責(zé)接收協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送來的數(shù)據(jù)并實(shí)時顯示。上位機(jī)軟件如下圖所示圖5-1上位機(jī)軟件主頁面在軟件中串口號和波特率是可以選擇的，左上角有個界面配置，打開后如下圖所示圖5-1上位機(jī)軟件配置面該配置頁面可以配置協(xié)議的規(guī)范，包頭、包尾、校驗(yàn)位等，設(shè)置完成后點(diǎn)擊完成即可。六、測試結(jié)果連接好硬件設(shè)備在終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器綁定成功后，選擇好串口名稱，設(shè)置好波特率，打開串口后頁面顯示如下，此時我們只用了兩個節(jié)點(diǎn)，該頁面為為設(shè)置報警數(shù)據(jù)前的頁面，溫度值正常顯示為黑色，并且在設(shè)置的定時時間內(nèi)周期性的閃爍，閃爍的樣式是棕色與黑

15、色交替顯示。圖5-1位置設(shè)報警數(shù)據(jù)前正常顯示頁面圖5-1超過一定時間沒有接收到數(shù)據(jù)頁面為了測試報警，隨意設(shè)置一個低于當(dāng)前溫度的報警數(shù)據(jù)，此時上位機(jī)的顯示部分立即變成紅色，如下圖所示，圖5-1溫度超限報警頁面七、結(jié)論本設(shè)計應(yīng)用了無線通信領(lǐng)域最前沿的ZigBee技術(shù)和低功耗單片機(jī)CC2530有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了無線傳輸數(shù)據(jù)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。該系統(tǒng)已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)測試，工作穩(wěn)定，基于ZigBee的溫度監(jiān)控系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：l節(jié)約時間，增加多個節(jié)點(diǎn)可以解決距離近的問題。l信息傳輸穩(wěn)定，在2.4GHZ的頻段下工作，不易被干擾。l超低功耗，避免了經(jīng)常更換電池的麻煩。l適用范圍廣，可延伸至多種領(lǐng)域。l功能強(qiáng)，價格低，便于推廣。該設(shè)計在工業(yè)領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價值，本設(shè)計知識一個框架結(jié)構(gòu)，如果要具體應(yīng)用還需要進(jìn)一步的開發(fā)，但是在本設(shè)計的基礎(chǔ)上開發(fā)將非常的方便，zigbee技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，ZigBee為我們描繪了一個美好的未來，或許這些場景里我們不會太遙遠(yuǎn)了，讓我們拭目以待，這只蜜蜂將會給我們的工作和生活帶來怎樣的變化。參考文獻(xiàn) 1周怡頤,凌志浩,吳勤勤.ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討J.自動化儀表，2006,26(6):5-9 2瞿雷.一種新的無線網(wǎng)絡(luò)通新技術(shù)ZigBeeJ. 單片機(jī)與嵌