基于ZigBee多節(jié)點(diǎn)無線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、doi:103969/jissn1671-1041201202008基于ZigBee多節(jié)點(diǎn)無線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)李建飛,王煒(天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,天津300387摘要:介紹了一種基于ZigBee技術(shù)的多節(jié)點(diǎn)無線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以CC2530為主控芯片,選用DS18B20作為溫度傳感器,測(cè)溫節(jié)點(diǎn)將采集的溫度數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送出去,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)以無線的方式接收數(shù)據(jù)并傳送至上位機(jī)顯示。通過測(cè)試表明該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單,功耗低,低成本等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:ZigBee;CC2530;無線數(shù)據(jù)采集中圖分類號(hào):P29文獻(xiàn)標(biāo)志碼:AMulti-node wireless temperatur

2、e data acquisition system based on ZigBeeLI Jian-fei,WANG Wei(Tianjin Polytechnic University School of Electrical Engineering and Automation,Tianjing300387,China Abstract:Describes a multi-node wireless technology temperature data acquisition system based on ZigBeeThe system for the main chip CC2530

3、,used as a temperature sensor DS18B20,temperature nodes collected and sent temperature data via wireless means,the coordinator node received data by wireless ways and transmit to PCTest shows that The system has a simple structure,low power consumption,low costKey words:ZigBee;CC2530;wireless data a

4、cquisition0引言傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)通常采用有線傳輸信號(hào)的方式,不僅布線復(fù)雜,維修不便且費(fèi)用較高。尤其對(duì)于廣闊空間環(huán)境中的溫度采集,如果采用有線方式其成本和功耗都比較高。而ZigBee技術(shù)2作為一種新興的短距離、低復(fù)雜度、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)域。針對(duì)這一傳統(tǒng)測(cè)溫系統(tǒng)的不足并結(jié)合ZigBee的優(yōu)勢(shì),本文提出了一種基于ZigBee 無線技術(shù)的多節(jié)點(diǎn)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了多個(gè)節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的無線傳輸。該系統(tǒng)具有擴(kuò)展性好、穩(wěn)定可靠、維護(hù)方便等特點(diǎn)。1系統(tǒng)總體架構(gòu)本系統(tǒng)主要由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)設(shè)備和多個(gè)溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)所組成的基礎(chǔ)無

5、線傳感網(wǎng)絡(luò)5。系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能就是通過測(cè)溫節(jié)點(diǎn)測(cè)出溫度數(shù)據(jù),以無線信號(hào)的形式發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn),然后,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)接收信號(hào)并通過串口傳輸至PC機(jī)顯示。其中測(cè)溫節(jié)點(diǎn)有溫度傳感器和射頻模塊組成,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)由射頻模塊和微處理器構(gòu)成,組成框圖如圖1所示。各測(cè)溫節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集溫度數(shù)據(jù)信息,然后送給射頻芯片發(fā)射出去,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)通過射頻芯片接收數(shù)據(jù)信息,最后通過串口傳送給上位機(jī)PC。另外測(cè)溫節(jié)點(diǎn)屬于終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備,該節(jié)點(diǎn)可處于休眠狀態(tài)以降低功耗;協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)屬于協(xié)調(diào)器設(shè)備,負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的初始化和建立,允許節(jié)點(diǎn)的加入和刪除節(jié)點(diǎn),為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供良好的運(yùn)行平臺(tái),該節(jié)點(diǎn)一直處于活動(dòng)狀態(tài) 。圖1系統(tǒng)整體框圖2測(cè)溫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)主要實(shí)

6、現(xiàn)對(duì)溫度信息的采集、預(yù)處理和無線傳輸。在功能上,測(cè)溫節(jié)點(diǎn)一般可分為傳感器功能模塊、微控制器功能模塊、無線通信功能模塊和電源功能模塊。本設(shè)計(jì)采用CC2530和DS18B20作為主要芯片實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量和傳輸。其硬件框圖如2所示。儀器儀表用戶科研設(shè)計(jì)成果歡迎訂閱歡迎撰稿歡迎發(fā)布產(chǎn)品廣告信息EIC Vol192012No22122EICVol192012No2歡迎光臨本刊網(wǎng)站http :/wwweiccom cn圖2測(cè)溫節(jié)點(diǎn)硬件框圖21傳感器模塊CC2530芯片內(nèi)部集成有溫度傳感功能模塊,但其測(cè)量誤差較大,不適用于實(shí)現(xiàn)溫度的精確測(cè)量。需要選擇芯片外部獨(dú)立溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度傳感功能。CC2530內(nèi)部集成

7、有12位ADC ,可以直接與模擬溫度傳感器相連構(gòu)成溫度傳感系統(tǒng),但是由于此種應(yīng)用需要進(jìn)行ADC 校準(zhǔn)和溫度手工標(biāo)注,會(huì)人為影響系統(tǒng)精度和開發(fā)周期。所以,本設(shè)計(jì)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20與CC2530實(shí)現(xiàn)溫度傳感功能應(yīng)用。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有溫度傳感器、A /D 轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器及接口電路五部分組成。其主要特點(diǎn)是溫度測(cè)量精確,對(duì)溫度的分辨率為0.5;測(cè)量范圍廣,測(cè)量范圍可從55到+125;單總線接口,只需一個(gè)接口即可完成溫度轉(zhuǎn)換的讀寫操作,可簡化線路,節(jié)省I /O 資源,提高經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)可將監(jiān)測(cè)到的溫度信息數(shù)字化,采用9位數(shù)字方式直接讀取溫度,其典型轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為1s 。2

8、2微控制器模塊和無線通信模塊微控制器模塊和無線通信模塊是基于CC2530芯片實(shí)現(xiàn)的。無線射頻CC2530芯片是完全符合Zig-Bee 技術(shù)的24GHz 射頻系統(tǒng)單芯片,適合于各種無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。其主要特點(diǎn)是體積小、高性能、低功耗、具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。CC2530芯片內(nèi)嵌入了高性能和低功耗的8051微控制器核,集成了符合IEEE802154標(biāo)準(zhǔn)的24GHz 頻段的RF 無線電收發(fā)模塊,還集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC 模塊,具有電池監(jiān)測(cè)和溫度傳感功能,具有串口等豐富的接口資源。CC2530的低功耗無線通信能力、高性能的處理能力和諸多獨(dú)特的設(shè)計(jì)使其成為分布式無線溫度測(cè)量系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

9、的最佳選擇之一。23電源模塊CC2530內(nèi)部使用18V 工作電壓,適合于電池供電的設(shè)備,外部數(shù)字I /O 接口使用33V 電壓,以保持和33V 邏輯器件兼容。CC2530片上集成有自流穩(wěn)壓器,能將33V 電壓轉(zhuǎn)換為18V 電壓,這樣只有33V 電源的設(shè)備無需外加電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作。本系統(tǒng)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)采用兩節(jié)15V 電池供電,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)采用33V 直流電源進(jìn)行供電。24測(cè)溫節(jié)點(diǎn)程序流程圖測(cè)溫節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖3所示。上電復(fù)位后,首先對(duì)本節(jié)點(diǎn)所用的硬件及協(xié)議棧的初始化,然后開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,測(cè)溫節(jié)點(diǎn)將得到一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)短地址,并采用SCMA-CA 機(jī)

10、制,通過競爭取得信道使用權(quán),向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。各測(cè)溫節(jié)點(diǎn)每10秒讀取溫度傳感器數(shù)值,同時(shí)開啟睡眠定時(shí)器,當(dāng)數(shù)據(jù)成功發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)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,延長節(jié)點(diǎn)的電池使用時(shí)間。本節(jié)點(diǎn)的初始化程序包括對(duì)DS18B20初始化子程序、無線通信協(xié)議棧初始化程序和CC2530的看門狗、定時(shí)器等的初始化程序 。圖3測(cè)溫節(jié)點(diǎn)程序流程圖3協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)主要完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù),與測(cè)溫節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)綁定的建立,接收來自測(cè)溫節(jié)點(diǎn)通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的溫度數(shù)據(jù),并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示及匯總。之后,通過RS-232串口將接收的溫度信息連同測(cè)溫節(jié)點(diǎn)信息傳輸給上位機(jī)PC ,以便

11、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)主要由無線通信模塊、微控制器功能模塊、串口通信模塊和電源功能模塊構(gòu)成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與PC 機(jī)之間的通信僅需兩根線(TXD 和RXD 就可實(shí)現(xiàn)兩者之間的全雙工通信,微控制器的UART 和RS-232接口之間需要一個(gè)串行轉(zhuǎn)換器,在這里采用Maxim 公司的MAX232。因協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與測(cè)溫節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)類似,故不再對(duì)其贅述 。圖4協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)上電后,首先將硬件和協(xié)議棧初始化,然后建立網(wǎng)絡(luò),成功建立后LED 指示燈亮,接著掃描信道查詢網(wǎng)絡(luò),當(dāng)有子節(jié)點(diǎn)嘗試加入時(shí),讀取其地址并保存在地址表中。然后,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集各測(cè)溫節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,把測(cè)

12、溫節(jié)點(diǎn)的傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,得到實(shí)際的溫度值然后通過串口發(fā)送給上位PC 機(jī)。其流程圖如圖5所示?？蒲性O(shè)計(jì)成果儀器儀表用戶歡迎訂閱歡迎撰稿歡迎發(fā)布產(chǎn)品廣告信息EICVol192012No2 23圖5協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)程序流程圖4系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試時(shí)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),ZigBee 網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)上位機(jī)PC 、一個(gè)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)(主設(shè)備和多個(gè)帶溫度傳感器的測(cè)溫節(jié)點(diǎn)(從設(shè)備組成。測(cè)試時(shí),采用串口調(diào)試助手,端口參數(shù)為:波特率38400、數(shù)據(jù)位8位、停止位1位,無奇偶校驗(yàn)、無數(shù)據(jù)流控制。系統(tǒng)測(cè)試時(shí)將所有節(jié)點(diǎn)分布在一個(gè)空曠的房間里,測(cè)溫節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的距離在50米左右。從串口調(diào)試助手窗口中,可以看到2個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址、

13、溫度值和ZigBee 模塊電池電壓,詳細(xì)數(shù)據(jù)見圖6 。圖6溫度采集結(jié)果5結(jié)束語把低成本、低功耗的無線ZigBee 技術(shù)應(yīng)用于溫度數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng),不但能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析,還可以提高系統(tǒng)應(yīng)用的靈活性、可靠性、實(shí)時(shí)性。同時(shí)開發(fā)價(jià)格較低廉、性價(jià)比較高,安裝維護(hù)簡單,也減少了傳統(tǒng)方式下系統(tǒng)現(xiàn)場布線帶來的各種問題。參考文獻(xiàn)1陳旭,方康玲,李小卉基于CC2430的ZigBee 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)J 湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,22(6:59-612李文仲,段朝玉ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)M 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,20073武風(fēng)波,強(qiáng)云霄基于ZigBee 技術(shù)的遠(yuǎn)程無線溫

14、濕度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J 西北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,38(5:731-7344劉渝燦基于CC2430片內(nèi)溫度傳感器溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J 中國儀器儀表,2008,(7:40-41,455顏振亞,鄭寶玉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)J 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2005,(15:20-236潘勇,孟慶斌基于DS18B20的多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)J 電子測(cè)量技術(shù),2008,(9:91-937趙海蘭,趙祥偉智能溫度傳感器DS18B20的原理與應(yīng)用J 現(xiàn)代電子技術(shù),2003,(4:32-348王秀梅,劉乃安利用24GHz 射頻芯片CC2420實(shí)現(xiàn)ZigBee 無線通信設(shè)計(jì)J 國外電子元器件,2005,(3:59-62作者簡

15、介:李建飛,碩士研究生,主要研究領(lǐng)域?yàn)榍度胧?。收稿日?2011-12-08 維護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán),虹潤在行動(dòng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)是企業(yè)的靈魂,是企業(yè)賴以生存的根本,這對(duì)企業(yè)的發(fā)展攸關(guān)重要。福建順昌虹潤精密儀器有限公司是一家集工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品的科研開發(fā)、生產(chǎn)制造于一體的國家級(jí)高新技術(shù)企業(yè),公司現(xiàn)擁有400多項(xiàng)國家專利及60多項(xiàng)軟件版權(quán)登記,是國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)試點(diǎn)單位,“虹潤”商標(biāo)是著名商標(biāo)。經(jīng)過多年創(chuàng)建,“虹潤”品牌已成為業(yè)界的著名品牌。然而隨著虹潤品牌知名度的擴(kuò)大,近年來,不斷出現(xiàn)一些不法公司,他們藐視法律,投機(jī)取巧,企圖通過不正當(dāng)競爭手段,搭虹潤品牌便車,侵害虹潤公司利益,以達(dá)到非法盈利的目的。山東省濟(jì)寧市濟(jì)潤自控儀表有限公司便是其中一家。該公司不在品牌創(chuàng)建上下苦功,卻把精力用在了歪門邪道上。它仿冒虹潤公司產(chǎn)品,公然使用虹潤公司商標(biāo)、公司名稱以及產(chǎn)品型號(hào),堂而皇之的在市場上進(jìn)行銷售。當(dāng)不法行為被虹潤公司發(fā)現(xiàn)后,又匆忙將公司名稱由濟(jì)寧虹潤改名為濟(jì)寧濟(jì)潤,以掩飾其可恥的行徑。正所謂邪不壓正,魚目不可能混珠,李鬼也不可能成為李逵,虹潤公司在多次警告和敦促無果后,通過法律武器來維護(hù)自己的利益,于2010年11月,向人民法院提起了訴訟,在大量的確鑿證據(jù)面前