基于ZigBee的多點溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

通信與１言息處理——————．Ｃ—．．ｏ，．，ｍ．，，，ｍ．．．．ｕ，，ｎ．．．ｉ．ｃ，．ａ．．．ｔ。ｉ。ｏ．．．ｎ。。?！帷睿洹伞睢妫铮颍怼帷簦椤铩睢小颉铩恪澹螅螅椋睿瘛蹲詣踊⌒g(shù)與應(yīng)用》！?。?！堡塑??！鲞篁！塑基于ＺｉｇＢｅｅ的多點溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(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)的多點溫度采集系統(tǒng)．以ＣＣ２４３０為主控芯片，選用ＤＳｌ８８２０作為溫度采集節(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)的采集與傳輸，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、存儲與顯示。關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；溫度采集；ＺｉｇＢｅｅ中圖分類號：ＴＰ２７４．５文獻標(biāo)識碼：Ｂ文章編號：１００３—７２４１（２０１０）０２—００４３—０４ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＭｕｌｔｉ＿－ＮｏｄｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＬＥＩＣｈｕｎ，ＨＥＸｉａｏ－ｙａｎｇ，ＳＵＳｈｅｎｇ－ｈｕｉｒＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｘｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｎｉｎｇ５３０００４Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｍｕｌｔｉ—ｎｏｄｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｗｉｒｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒａｓｎｅｔｗｏｒｋｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｈｅｔｏｍｅｅｔｔｈｅａｓｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｌｏｗｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｎｄｃｏｓｔｓ．ＢｙｕｓｉｎｇＣＣ２４３０ｓｅｎｓｏｒｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｃｈｉｐａｎｄＤＳ１８８２０ｔｈｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｎｏｄｅ，ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅａｌｉｚｅｓｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｍａｉｎ—ｎｏｄｅａｎｄｏｎｓｕｂ．ｎｏｄｅｂａｓｅｄＺｉｇＢｅｅｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｄｗｉｔｈＰＣｔｈｒｏｕｇｈｓｅｒｉａｌｐｏｒｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｃｏｒｎ—ｄｉｓｐｌａｙ．ｐｌｅｔｅｓｔｈｅｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｓｔｏｒａｇｅａｎｄＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＺｉｇＢｅｅ１引言隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高，環(huán)境溫度指標(biāo)越來越多的影位ＰＣ機采用串口與主節(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、維護方便等特點。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。因而，設(shè)計可靠且實用的溫度采集系統(tǒng)顯得非常重要。在傳統(tǒng)的溫度采集系統(tǒng)中，節(jié)點一般采用有線連接方式，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)控系統(tǒng)整體概述制、消費電子、家庭自動化、醫(yī)療監(jiān)控各種領(lǐng)域…。本文設(shè)計了一種基于ＺｉｇＢｅｅ無線技術(shù)的多點溫度采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了主從節(jié)點間數(shù)據(jù)的無線傳輸，同時上圖１收稿日期：２００９—１０—１６溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖“自動化技術(shù)與應(yīng)用》２０１０年第２９卷第２期通信與信息處理ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ本文設(shè)計的溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖ｌ所示。系統(tǒng)采３．２從節(jié)點硬件設(shè)計用ＺｉｇＢｅｅ星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，建立了一個主節(jié)點，四個從節(jié)點主要負責(zé)溫度采集和數(shù)據(jù)無線傳輸，可作為從節(jié)點的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。各個從簡化功能設(shè)備（ＲｅｄｕｃｅｄＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＲＦＤ），以降低節(jié)點連接數(shù)字溫度傳感器ＤＳｌ８８２０定時采集環(huán)境溫度，功耗和成本。芯片采用ＣＣ２４３０Ｆ３２（３２ｋＢＦｌａｓｈ），其硬并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)依次向主節(jié)點發(fā)送，主節(jié)點件電路和主節(jié)點大致相同，只是去掉了串口通信電路，收到數(shù)據(jù)后通過串口傳給上位ＰＣ機，上位機將采集的同時在從節(jié)點芯片的Ｉ／Ｏ口上接人多個溫度傳感器數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行分析處理，并在監(jiān)控界面ＤＳｌ８８２０以實現(xiàn)多點溫度數(shù)據(jù)的采集。顯示溫度實時變化曲線。ＤＳｌ８８２０是“單總線”數(shù)字溫度傳感器，其測量溫度范圍為一５５℃～＋１２５℃，支持３～５．５Ｖ電壓供電，主３系統(tǒng)硬件設(shè)計要由四部分組成：６４位光刻ＲＯＭ、溫度傳感器、非易３．１主節(jié)點硬件設(shè)計失性溫度報警觸發(fā)器和配置寄存器。ＲＯＭ中的６４位選擇ＣＣ２４３０作為主節(jié)點的處理器，該芯片是全球序列號出廠前已光刻固化，每個傳感器的序列號都是唯首款支持ＺｉｇＢｅｅ協(xié)議的片上系統(tǒng)（ｓｏＣ）解決方案，集成一的，因此可以在一根總線上掛接多個ＤＳｌ８８２０，能極了一個８０５１ＭＣＵ內(nèi)核以及符合ＩＥＥＥ８０２．１５．４規(guī)范的大減少Ｉ／Ｏ口的占用。本系統(tǒng)中用ＤＳｌ８８２０進行多點２．４ＧＨｚ的無線收發(fā)器。芯片內(nèi)部有８ｋｂ的ＲＡＭ，可選溫度采集時，傳感器與從節(jié)點的ＣＣ２４３０的連接形式如３２／６４／１２８ｋＢ的Ｆｌａｓｈ存儲單元，包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、圖３所示。定時器、看門狗定時器、ＡＥＳｌ２８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ＣＣ２４３０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。且霈鼎譬主節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，作為全功能設(shè)備（Ｆｕｌｌ／ＩＤ朋｛鼐ＩＤＳｌＳＢ２０１擊［ＤＳｔＳｌＢＺ二０［需ＦｕｎｃｔｉｏｎＤｅｖｉｃｅ，ＦＦＤ），負責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建和維護、溫度采ＤＱ集數(shù)據(jù)無線接收、與上位ＰＣ機串口通信。因此采用圖３溫度傳感器節(jié)點連接圖ＣＣ２４３０Ｆ１２８（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，選用ＭＡＸ３２３２芯由于ＺｉｇＢｅｅ設(shè)備功耗很低，并且能設(shè)置成定時睡眠片實現(xiàn)ＴＴＬ與ＲＳ２３２電平轉(zhuǎn)換。ＺｉｇＢｅｅ主節(jié)點的硬件模式以進一步省電，而ＤＳｌ８８２０本身功率也非常小，所電路如圖２所示。以本系統(tǒng)中的主、從各節(jié)點均采用２節(jié)１．５Ｖ電池供電即可滿足實際需要。４系統(tǒng)軟件設(shè)計４．１溫度傳感器數(shù)據(jù)采集ＤＳｌ８８２０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℃，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，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。ＤＳｌ８８２０內(nèi)部ＲＡＭ由９個字節(jié)的高速緩存器和Ｅ２ＰＲＯＭ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ＤＳｌ８８２０溫度數(shù)據(jù)的采集和讀取，所有讀寫操作都是通過與圖２ＺｉｇＢｅｅ主節(jié)點電路通１言與１言息處理曼旦受嬰?。。?！型ｉ！！璺！?。。。。。粤遥。。〉。。。。。。。纭蹲詣踊夹g(shù)與應(yīng)用》２０ｌ０年第２９卷第２期ＣＣ２４３０的Ｉ／Ｏ口連接的ＤＱ引腳完成。在一線制總線上串接多個ＤＳｌ８８２０器件時，需要先發(fā)送跳過ＲＯ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)采集值進行轉(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。Ｍ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ＤＳｌ８８２０器件的操作。整個溫度采集的流程如圖４所示。圖４４．２ＤＳｌ８８２０溫度采集流程圖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)點通過在不同層圖５４．３上的特定服務(wù)來完成所要執(zhí)行的各種任務(wù)【２１。本系統(tǒng)采用ＴＩ提供的ＺｉｇＢｅｅ２００６協(xié)議棧ＺＳｔａｃｋ，在ＩＥＥＥ８０２．主從節(jié)點組網(wǎng)通信流程圖ＰＣ機串口通信及監(jiān)控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)拓撲結(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)點信息、收發(fā)信息。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。建立連接成功后，從節(jié)點將得到一個１６位的網(wǎng)絡(luò)短地址，并采用非時隙ＣＳＭＡ—ＣＡ機制，通過競爭取得信道使用權(quán)，向主節(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，當(dāng)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ＤＳ１８８２０的數(shù)量決定，每個ＤＳｌ８８２０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)點編號，ＣＣ２４３０的Ｉ／Ｏ口編號以圖６上位機軟件運行界面上位機采用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控件實現(xiàn)串口傳輸和接收數(shù)據(jù)【４ｌ。使用ＡＤＯ對象連接Ａｃｃｅｓｓ數(shù)據(jù)庫，將當(dāng)前數(shù)據(jù)存人數(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“自動化技術(shù)與應(yīng)用》２０１０年第２９卷第２期通ｉ言與１言息處理曼！圈圈！?。?！融！Ｑ?。。。。。。。。∮娜冢。?！巳?。。。。。。桑。缱鴺?biāo)軸網(wǎng)格線通過Ｌｉｎｅ方法來實現(xiàn)，坐標(biāo)軸刻度、標(biāo)其適用于數(shù)字家庭、智能大廈溫度控制、小區(qū)安防監(jiān)測簽、圖標(biāo)等的標(biāo)注使用Ｐｒｉｎｔ方法實現(xiàn)【５Ｉ。等，具有較好的通用性和應(yīng)用前景。當(dāng)程序開始運行后，打開串口，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，同時可以從運參考文獻：行界面看到歷史溫度變化曲線。圖表中曲線的最右端［１】瞿雷，劉盛德，胡成斌．ＺｉｇＢｅｅ技術(shù)及應(yīng)用［Ｍ］．北京：北為當(dāng)前溫度，點擊節(jié)點按鈕，然后選中指定的溫度數(shù)據(jù)京航空航天大學(xué)出版社，２００７．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［２】ＺｉｇＢｅｅＡｌｌｉａｎｃｅ．ＺｉｇＢｅｅｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ［ＥＢ／ＯＬ】．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｚｉｇｂｅｅ．ｏｒｇ．２００８．況，軟件運行時的界面如圖６所示。［３】李文仲，段朝玉．ＺｉｇＢｅｅ２００６無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實戰(zhàn)［Ｍ］．北京：北京航天航空大學(xué)出版社，２００８．５結(jié)束語【４］夏邦貴，劉凡馨．ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ６．０數(shù)據(jù)庫開發(fā)經(jīng)典實本文設(shè)計了一種基于ＺｉｇＢｅｅ技術(shù)的無線溫度采集例精解［Ｍ］．北京：機械工業(yè)出版社，２００６．【５］高春艷，劉彬彬，王斌．ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ開發(fā)技術(shù)大全［Ｍ］．系統(tǒng)，采用ＣＣ２４３０芯片設(shè)計主從節(jié)點，硬件結(jié)構(gòu)精簡、北京：人民郵電出版社，２００７．體積小、能耗低，所組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有自組織，自適應(yīng)的特點。通過實驗調(diào)試，該溫度采集系統(tǒng)達到了設(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、實現(xiàn)成本作者簡介：雷純（１９８０一），男，碩士研究生，研究方向：綜合自低等諸多優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，尤動化。（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［２］ＦＥＥＬＤＥＲＳ．ＡｎＨａｎｄｌｉｎｇＭｉｓｓｉｎｇＤａｔａｉｎＴｒｅｅｓ：被５００整除時｜生能比較好，但沒有達到線性加速比。因為ＳｕｒｒｏｇａｔｅＳｐｌｉｔｓｏｒＳｔａｔｉｓｔｉｃａｌＩｍｐｕｔａｔｉｏｎ．ＬＮＡｌｌ７０４，１９９９，３２９—Ｔ，值的計算依賴前一行，只有開始計算時等待，之后按列３３４．流水。能被５００整除的線程數(shù)目，只到最后一個線程完成［３］ＳＴＪＥＰＡＮＲＡＪＫＯ，ＳｒｉｎｉｖａｓＡｌｕｒｕ．ＳｐａｃｅａｎｄＴｉｍｅＯｐｔｉｍａｌＰａｒａｌｌｅｌ時線程浪費的時問不多。而不能被５００整除時，在最后會ＳｅｑｕｅｎｃｅＡｌｉｇｎｍｅｎｔｓＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎｐａｒａｌｌｅｌａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｓｙｓｔｅｍｓ．有空閑線程。但ＯｐｅｎＭＰ編寫的程序在運行時采用分叉、２００４．１０７０－１０８１．合并方式，增加線程，就會增加相應(yīng)線程創(chuàng)建、銷毀開銷。［４］ＳＭＩＴＨＴＦ，ＷＡＴＥＲＭＡＮＭＳ．Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆ總之，該并行方法改善了算法總的性能，提高了運算速度。ＣｏｍｍｏｎＭｏｌｅｃｕｌａｒＳｕｂｓｅｑｕｅ—ｎｃｅｓ［Ｊ】．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｏｌｅｃｕｌａｒＢｉｏｌｏｇｙ，１９８１，１４７（１）：１９５－１９７．５結(jié)束語［５］ＡＬＵＲＵＳ，ＦＵＴＡＭＵＲＡＮ，ＭｅｈｒｏｔｒａＫ．Ｐａｒａｌｌｅｌｂｉｏ—ｌｏｇｉｃａｌｓｅｑｕｅｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｕｓｉｎｇｐｒｅｆｉｘｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．本文通過對ｓｍｉｔｈ—ｗａｔｅｒｍａｎ算法的分析，利用共／ｏｕｍａｌｏｆＰａｒａｌｌｅｌａｎｄＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＣｏｍｐｕｔｉｎｇ，２００３，６