zigbee多點溫度采集系統(tǒng)

摘要:針對廣闊空間環(huán)境溫度釆集系統(tǒng)對功耗及成本的要求，設(shè)計了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的多點溫度釆集系統(tǒng).以CC2430為主控芯片,選用DS18B20作為溫度釆集節(jié)點的傳感器,基于ZigBee協(xié)議棧構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)主從節(jié)點之間數(shù)據(jù)的釆集與傳輸,利用串口通信技術(shù)與PC機通信,并編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲與敁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，都需要對溫度進行監(jiān)測。W而,設(shè)計可靠且實用的溫度釆集系統(tǒng)顯得非常重要。在傳統(tǒng)的溫度釆集系統(tǒng)中，節(jié)點一般釆用有線連接方式，布線繁瑣，擴展性和可移植性較差。尤其對于廣闊空間環(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、消費電子、家庭自動化、醫(yī)療監(jiān)控各種領(lǐng)本文設(shè)計了一種基于ZigBee無線技術(shù)的多點溫度釆集系統(tǒng)，實現(xiàn)了主從節(jié)點間數(shù)據(jù)的無線傳輸，NJ時上位PC機釆用串口與主節(jié)點通信,并建立溫度數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)具有擴展性好、穩(wěn)定可靠、維護方便等特2系統(tǒng)整體概述本文設(shè)計的溫度釆集系統(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)，建立了一個主節(jié)點，四個從節(jié)點的無線傳感網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。各個從節(jié)點連接數(shù)字溫度傳感器DS18B20定時釆集環(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)點發(fā)送，主節(jié)點收到數(shù)據(jù)后通過串口傳給上位PC機，上位機將釆集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行分析處理，并在監(jiān)控界面顯示溫度實時變化曲線。主節(jié)點上位PC機主節(jié)點從節(jié)點1從節(jié)點2從節(jié)點3從節(jié)點4圖1溫度釆集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3系統(tǒng)硬件設(shè)計1主節(jié)點硬件設(shè)計選擇CC2430作為主節(jié)點的處理器，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存儲單元,包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時器、看門狗定時器、AES128協(xié)處理器等，同時提供了2個UART接口以及21個可編程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)計變得十分簡單。主節(jié)點是整個網(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、溫度釆集數(shù)據(jù)無線接收、與上位PC機串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)上擴展串行通信接口，選)I]MAX3232芯片實現(xiàn)TTL與RS232電平轉(zhuǎn)換。ZigBee主節(jié)點的硬件電路如圖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)點電路3.2從節(jié)點硬件設(shè)計從W點主要負(fù)責(zé)溫度釆集和數(shù)據(jù)無線傳輸，可作為簡化功能設(shè)備(Reduced44系統(tǒng)軟件設(shè)計44系統(tǒng)軟件設(shè)計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)點大致相同，只是去掉了串口通信電路,同時在從節(jié)點芯片的I/0口上接入多個溫度傳感器DS18B20以實現(xiàn)多點溫度數(shù)據(jù)的釆集。DS18B20是“單總線”數(shù)字溫度傳感器，其測量溫度范圍為-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、非易失性溫度報警觸發(fā)器和配置寄存器。ROM中的64位序列號出廠前已光刻冏化,每個傳感器的序列號都是唯-?的，W此可以在一根總線上掛接多個DS18B20，能極大減少I/O口的占用。本系統(tǒng)中用DS18B20進行多點溫度釆集時,傳感器與從節(jié)點的CC2430的連接形式如圖3所示。圖3溫度傳感器節(jié)點連接圖由于ZigBee設(shè)備功耗很低，并且能設(shè)置成定時睡眠模式以進一步畨電，而DS18B20本身功率也非常小，所以本系統(tǒng)中的主、從各節(jié)點均釆用2節(jié)1.5V電池供電即可滿足實際需要。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)換溫度信號所需最長時間為750ms。溫度數(shù)據(jù)由2字節(jié)組成，以符號擴展的二進制補碼形式存儲,：&低4位是小數(shù)部分,中間7位是整數(shù)部分，1位符號位。DS18B20內(nèi)部RAM由9個字節(jié)的高速緩存器和E2PR0M組成，前2個字節(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DS18B20器件時，需要先發(fā)送跳過ROM指令，將所有傳感器都進行一次溫度轉(zhuǎn)換，之后通過匹配ROM依次讀取每個傳感器的溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對單I/O口上的多個DS18B20器件的操作。整個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，存儲容量最大、計算能力最強。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、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信總、收發(fā)信總。從節(jié)點被初始化為無信標(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)出連接請求。建立連接成功后，從節(jié)點將得到一個16位的網(wǎng)絡(luò)短地址,并釆用非時隙CSMA-CA機制，通過競爭取得信道使用權(quán)，內(nèi)主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。各從節(jié)點每30秒讀取一次I/O接口上多片溫度傳感器數(shù)值，同時開啟睡眠定時器，約數(shù)據(jù)發(fā)送成功后該節(jié)點立即進入睡眠狀態(tài),最大程度地降低功耗，延長從節(jié)點的電池使用時間。數(shù)據(jù)包的格式由從節(jié)點串接的DS18B20的數(shù)量決定，每個DS18B20傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度定義為31字節(jié)為標(biāo)識符,包括從節(jié)點編號，CC2430的I/O口編號以及此溫度傳感器的編號，后2個字節(jié)為溫度釆集數(shù)據(jù)。主節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后，對數(shù)據(jù)進行分析處理，把從節(jié)點上的每個溫度傳感器的數(shù)據(jù)釆集值進行轉(zhuǎn)換，得到實際的溫度值，然后發(fā)送給上位PC機。主從各節(jié)點的組網(wǎng)及通信流程如圖5所示。協(xié)謫器初始化傳感器節(jié)點初始化建立網(wǎng)絡(luò)嘗試加入網(wǎng)絡(luò)”否定時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)點組網(wǎng)通信流程圖PC機串口通信及監(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上位機軟件運行界面上位機釆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控件實現(xiàn)串口傳輸和接收數(shù)據(jù)[4]。使WADO對象連接Access3前數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，將控件PictureBox作為容器,實現(xiàn)曲線圖的動態(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，重繪實時曲線和坐標(biāo)軸網(wǎng)格線通過Line方法來實現(xiàn)，坐標(biāo)軸刻度、標(biāo)簽、圖標(biāo)等的標(biāo)注使用Print方法實現(xiàn)[5]。當(dāng)程序開始運行后，打幵串口，就可將接收到的實時數(shù)據(jù)加入到各節(jié)點的歷史溫度數(shù)據(jù)庫，同時可以從運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，點擊節(jié)點按鈕，然后選中指定的溫度數(shù)據(jù)框，即可查看對應(yīng)傳感器節(jié)點的溫度歷史數(shù)據(jù)和變化情況，軟件運行時的界面如圖6所示。5結(jié)束語本文設(shè)計了一種