基于ZigBee的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

1、 Techniques of Automation & Applications | 43基于ZigBee 的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)雷 純, 何小陽, 蘇生輝(廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004摘 要:針對廣闊空間環(huán)境溫度采集系統(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(diǎn)溫度采集系統(tǒng)以CC2430為主控芯片, 選用DS18B20作為溫度采集節(jié)點(diǎn)的傳感器, 基于ZigBee 協(xié)議棧構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)主從節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的采集與傳輸, 利用串口通信技術(shù)與PC 機(jī)通信, 并編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、存儲與顯示。關(guān)鍵詞:無線傳感網(wǎng)絡(luò); 溫度采集;ZigBee中圖分類號:TP2

2、74.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1003-7241(201002-0043-04Design and Realization of Multi-Node TemperatureAcquisition System Based on ZigBeeLEI Chun, HE Xiao-yang, SU Sheng-hui( School of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004 China Abstract: A multi-node temperature acquisition system based on

3、wirless sensor network technology is developed to meet therequirements of low power consumption and costs. By using CC2430 as the main controlling chip and DS18B20 as thesensor of temperature acquisition node, the system realizes data acquisition and transformation between main-node andsub-node base

4、d on ZigBee protocol, communicated with PC through serial port communication technology, and com-pletes the data processing, storage and display.Key words: wirless sensor network; temperature acquisition; ZigBee收稿日期：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(jìn)行監(jiān)測。因

5、而, 設(shè)計可靠且實(shí)用的溫度采集系統(tǒng)顯得非常重要。在傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)中, 節(jié)點(diǎn)一般采用有線連接方式, 布線繁瑣, 擴(kuò)展性和可移植性較差。尤其對于廣闊空間環(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 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(fèi)電子、家庭自動化、醫(yī)療監(jiān)控各種領(lǐng)域1。本文設(shè)計了一種基于ZigBee 無線技術(shù)的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了主從節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的無線傳輸, 同時上位PC 機(jī)采用串口與主節(jié)點(diǎn)通信, 并建立溫度數(shù)據(jù)庫, 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。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)。2 系統(tǒng)整體概述圖1 溫度采集系

6、統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 44 | T echniques of Automation & A pplications本文設(shè)計的溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用ZigBee 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 建立了一個主節(jié)點(diǎn), 四個從節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò), 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。各個從節(jié)點(diǎn)連接數(shù)字溫度傳感器DS18B20定時采集環(huán)境溫度, 并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)依次向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送, 主節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后通過串口傳給上位PC 機(jī), 上位機(jī)將采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫, 對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理, 并在監(jiān)控界面顯示溫度實(shí)時變化曲線。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 主節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計主節(jié)點(diǎn)是整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器, 作為全功能設(shè)備(FullFunctio

7、n Device,FFD, 負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建和維護(hù)、溫度采集數(shù)據(jù)無線接收、與上位P C 機(jī)串口通信。因此采用CC2430-F128(128kB Flash 芯片, 并在CC2430典型應(yīng)用電路的基礎(chǔ)上擴(kuò)展串行通信接口, 選用MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)TTL 與RS232電平轉(zhuǎn)換。ZigBee 主節(jié)點(diǎn)的硬件電路如圖2所示。圖2 ZigBee 主節(jié)點(diǎn)電路3.2 從節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計從節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)溫度采集和數(shù)據(jù)無線傳輸, 可作為簡化功能設(shè)備(Reduced Function Device,RFD, 以降低功耗和成本。芯片采用CC2430-F32(32kB Flash,其硬件電路和主節(jié)點(diǎn)大致相同, 只是去掉了串口通

8、信電路, 同時在從節(jié)點(diǎn)芯片的I /O 口上接入多個溫度傳感器DS18B20以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的采集。DS18B20是“單總線”數(shù)字溫度傳感器, 其測量溫度范圍為-55+125, 支持35. 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固化, 每個傳感器的序列號都是唯一的, 因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(jìn)行多點(diǎn)溫度采集時, 傳感器與從節(jié)點(diǎn)的CC2430的連接形式如圖3所示。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(jìn)

9、一步省電, 而DS18B20本身功率也非常小, 所以本系統(tǒng)中的主、從各節(jié)點(diǎn)均采用2節(jié)1.5V 電池供電即可滿足實(shí)際需要。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 溫度傳感器數(shù)據(jù)采集DS18B20可設(shè)定912位的分辨率, 本系統(tǒng)采用12位分辨率, 轉(zhuǎn)換精度為0. 0625, 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(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲, 最低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E 2PROM 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

10、, 所有讀寫操作都是通過與圖3 溫度傳感器節(jié)點(diǎn)連接圖 Techniques of Automation & Applications | 45CC2430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(jìn)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(shí)現(xiàn)對單I/O口上的多個DS18B20器件的操作。整個溫度采集的流程如圖4所示。4.2 ZigBee無線組網(wǎng)及數(shù)據(jù)通信ZigBee 通信協(xié)議采用分層結(jié)構(gòu), 節(jié)點(diǎn)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)2。本系統(tǒng)采用TI 提供的ZigBe

11、e2006協(xié)議棧Z-Stack, 在IEEE 802. 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, 是一種較好的無線傳感網(wǎng)絡(luò)組建方案3。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)采用星型網(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(diǎn)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(qiáng)。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(diǎn)、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、收發(fā)信息。從節(jié)點(diǎn)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)出連接請求。建立連接成

12、功后, 從節(jié)點(diǎn)將得到一個16 位的網(wǎng)絡(luò)短地址, 并采用非時隙CSMA-CA 機(jī)制, 通過競爭取得信道使用權(quán), 向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。各從節(jié)點(diǎn)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, 當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送成功后該節(jié)點(diǎn)立即進(jìn)入睡眠狀態(tài), 最大程度地降低功耗, 延長從節(jié)點(diǎn)的電池使用時間。數(shù)據(jù)包的格式由從節(jié)點(diǎn)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3字節(jié), 第1字節(jié)為標(biāo)識符, 包括從節(jié)點(diǎn)編號,CC2430的I/O口編號以圖4 DS18B20溫度采集流程圖及此溫度傳感器的編號, 后2個字節(jié)為溫度采集數(shù)據(jù)。主節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后, 對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理, 把從節(jié)點(diǎn)

13、上的每個溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集值進(jìn)行轉(zhuǎn)換, 得到實(shí)際的溫度值, 然后發(fā)送給上位PC 機(jī)。主從各節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)及通信流程如圖5所示。4.3 PC機(jī)串口通信及監(jiān)控上位機(jī)采用VB 編程語言編寫串口通信及數(shù)據(jù)庫程序, 在工程中添加MSComm 控件實(shí)現(xiàn)串口傳輸和接收數(shù)據(jù)4。使用ADO 對象連接Access 數(shù)據(jù)庫, 將當(dāng)前數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中, 將控件PictureBox 作為容器, 實(shí)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(shí)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(shí)時曲線和圖5 主從節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信流程圖圖6 上位機(jī)軟件運(yùn)行界面 46 | T ech

14、niques of Automation & A pplications坐標(biāo)軸網(wǎng)格線通過Li n e 方法來實(shí)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(shí)現(xiàn)5。當(dāng)程序開始運(yùn)行后, 打開串口, 就可將接收到的實(shí)時數(shù)據(jù)加入到各節(jié)點(diǎn)的歷史溫度數(shù)據(jù)庫, 同時可以從運(yùn)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(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的溫度歷史數(shù)據(jù)和變化情況, 軟件運(yùn)行時的界面如圖6所示。5 結(jié)束語本文設(shè)計了一種基于ZigBee 技術(shù)的無線溫度采集系統(tǒng), 采用CC2430芯片設(shè)計主從節(jié)點(diǎn), 硬件結(jié)構(gòu)精簡、體積小、能耗低, 所

15、組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有自組織, 自適應(yīng)的特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試, 該溫度采集系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計要求, 效果良好。鑒于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性好、實(shí)現(xiàn)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn), 可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域, 尤作者簡介：雷純（），男，碩士研究生，研究方向：綜合自動化。其適用于數(shù)字家庭、智能大廈溫度控制、小區(qū)安防監(jiān)測等, 具有較好的通用性和應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn):1 瞿雷, 劉盛德, 胡咸斌.ZigBee 技術(shù)及應(yīng)用M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.2 ZigBee Alliance.ZigBee specificationEB/OL. http:/www.z ig

16、be e. or g, 2008.3 李文仲, 段朝玉.ZigBee2006無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn)M.北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2008.4 夏邦貴, 劉凡馨.Visual Basic 6.0數(shù)據(jù)庫開發(fā)經(jīng)典實(shí)例精解M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.5 高春艷, 劉彬彬, 王斌.Visual Basic 開發(fā)技術(shù)大全M.北京:人民郵電出版社,2007.（上接第37頁）當(dāng)線程數(shù)為1,2,3,4,5時效率比其它的要高, 當(dāng)線程數(shù)能被500整除時性能比較好, 但沒有達(dá)到線性加速比。因?yàn)門 2值的計算依賴前一行, 只有開始計算時等待, 之后按列流水。能被500整除的線程數(shù)目, 只到最后一個線程完成

17、時線程浪費(fèi)的時間不多。而不能被500整除時, 在最后會有空閑線程。但OpenMP 編寫的程序在運(yùn)行時采用分叉、合并方式, 增加線程, 就會增加相應(yīng)線程創(chuàng)建、銷毀開銷。總之, 該并行方法改善了算法總的性能, 提高了運(yùn)算速度。5 結(jié)束語本文通過對smit h-water man 算法的分析, 利用共享存儲的編程對該算法進(jìn)行并行化。結(jié)合共享存儲編程的特點(diǎn), 對原串行算法中可以并行化的部分使用前綴計算的方法進(jìn)行OpenMP 并行化, 使其實(shí)現(xiàn)多線程的并行化。在多核機(jī)上測試表明, 該算法在不改變準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上, 性能比原有程序有了很大的提高。參考文獻(xiàn):1 KATOH K,MISAWA K.,KUMA K

18、.I.MAFFTL:aNovel Method for Rapid Multiple Sequence Alignment Based on Fast Fourier TransformJ.Nucleic Acids Res 2002 (30:3059-3066.2 FEELDERS.An Handling Missing Data in Trees:Surrogate Splitsor Statistical Imputation.LNAI1704,1999,329-334.3 ST J E P AN R AJ K O , Sr in i v a s Alu r u. Sp a c e a n d T im e O p t i m a l P a r a ll e l S e q u e n c e Al ig n m e n t s I E E E T r a n s a c t io n s o n p a r a ll e l a n d d i s t r i b u t e d s y s t e m s , 2004,1070-1081.4 SMITH T F,WATERMAN M S.Iden tifica