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

基于ZigBee的溫度監(jiān)控系統(tǒng)摘要：近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無(wú)線通信技術(shù)的高速開展和廣泛應(yīng)用，無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)成為一個(gè)在國(guó)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(wú)線技術(shù)百花爭(zhēng)艷，競(jìng)爭(zhēng)非常的劇烈，無(wú)線生活即將到來。從通信用的GPRS,到短距離用的藍(lán)牙，電腦無(wú)線上網(wǎng)用過的Wi-Fi，各種無(wú)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(wú)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(zhǎng)起來。他就是備受人們關(guān)注的zigbee協(xié)議。本文在各種無(wú)線通信中選取一種最具競(jìng)爭(zhēng)力的藍(lán)牙技術(shù)與zigbee技術(shù)比照，在比照出雙方優(yōu)越性之后我們選取了zigbee協(xié)議作為我們畢業(yè)設(shè)計(jì)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要利用zigbee網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控各種生產(chǎn)車間各個(gè)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(shí)的顯示各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度，并且可以設(shè)置對(duì)個(gè)不同監(jiān)控點(diǎn)的報(bào)警溫度，溫度超過報(bào)警值時(shí)上位機(jī)可以視覺報(bào)警，在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)可以聲音報(bào)警，并且可以隨意增加監(jiān)控點(diǎn)，隨意移動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)，傳輸數(shù)據(jù)平安穩(wěn)定可靠，采用電池供電，操作非常方便，防止了繁瑣的拉線等操作。最后通過溫度采集實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果說明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)，效果良好。關(guān)鍵詞：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，zigbee，cc2530，溫度監(jiān)控前言隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)整合水平的不斷開展，對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)接口的開放性以及數(shù)據(jù)鏈接的平安性的要求越來越高，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(wú)線網(wǎng)技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸平安可靠、組網(wǎng)簡(jiǎn)易靈活、設(shè)備本錢低、電池壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)控制領(lǐng)域中展現(xiàn)了深厚的開展?jié)摿1]。ZigBee是一種近年來才興起的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它出現(xiàn)的時(shí)間較短，2004年底才由ZigBee聯(lián)盟發(fā)布了1.0版本標(biāo)準(zhǔn)，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(shì)頭十清楚顯，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司在2005年4月通過了ZigBee聯(lián)盟對(duì)其產(chǎn)品所作的測(cè)試和兼容性驗(yàn)證。預(yù)計(jì)從今年開始，基于ZigBee的無(wú)線通信產(chǎn)品和應(yīng)用會(huì)迅速得到普及和高速開展[2-4]。將設(shè)備數(shù)據(jù)采集之后再通過無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸是ZigBee技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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)了低本錢、低功耗和低速率無(wú)線通信市場(chǎng)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(wú)線通信的控制領(lǐng)域，必將在工業(yè)自動(dòng)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(duì)成熟，將它重新構(gòu)建于ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)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(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)十分必要。減少了在某些場(chǎng)所有線網(wǎng)絡(luò)布線以及工人人工采集數(shù)據(jù)的不便，同時(shí)可以方便的于各種傳感器搭配用于不同的場(chǎng)合。一、zigbee應(yīng)用有了ZigBee的一些技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也談到了缺乏之處，目前有些說法把它跟其它他的無(wú)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(wú)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(jiǎn)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(dòng)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(jì)1.系統(tǒng)總體方案Zigbee的主要優(yōu)勢(shì)是低功耗和組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的組建是zigbee不同于其他無(wú)線協(xié)議的主要優(yōu)勢(shì)所在，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建形式?jīng)Q定了整個(gè)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(wú)線節(jié)點(diǎn)之間都可以傳遞信息的目標(biāo)，在串狀連接方式的根底上又開展了網(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(gè)節(jié)點(diǎn)都有無(wú)線微處理器，所以無(wú)需無(wú)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(gè)新的網(wǎng)絡(luò)特征，每個(gè)無(wú)線節(jié)點(diǎn)不僅可以收發(fā)信息，還可以自動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)的智能化，所以，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，附近的無(wú)線節(jié)點(diǎn)會(huì)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(shí)，由于任意無(wú)線節(jié)點(diǎn)之間通過無(wú)線連接就如接力賽跑一樣，信息可以通過無(wú)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)如下列圖圖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)之間適宜的位置放置幾個(gè)路由器將大大提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定傳輸，為了簡(jiǎn)單期間，只有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)收集這些信息，處理后通過串口送到計(jì)算機(jī)，這些信息可以在串口調(diào)試工具或超級(jí)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(jì)的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無(wú)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(wú)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(jì)中可以根據(jù)本錢與操作可行性等因數(shù)選擇不同的的設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)選擇集微處理器模塊和無(wú)線收發(fā)模塊于一體的單芯片解決方案。設(shè)計(jì)選用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256，工作在2.4ghz頻段，是符合ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(jì)1、硬件局部總體介紹本設(shè)計(jì)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(chǎng)實(shí)時(shí)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)框圖如下列圖。2、電源局部設(shè)計(jì)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，比方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)起來其電壓值可以到達(dá)3.2V左右，實(shí)際測(cè)量中其值為就在3.2V左右，這個(gè)誤差范圍在CC2530電源誤差范圍之內(nèi)，所以用干電池供電時(shí)一種供電方式。第一我們采用穩(wěn)壓芯片，在市場(chǎng)中最常用的3.3V穩(wěn)壓芯片為AMS1117，如圖3-2所示圖3-2AMS1117其典型電路圖如下列圖圖3-3AMS1117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(duì)本設(shè)計(jì)的電源設(shè)計(jì)如下列圖所示圖3-4供電電源電路3、顯示局部的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的顯示采用數(shù)碼管顯示，如下列圖所示圖3-5供電電源電路4、按鍵局部設(shè)計(jì)針對(duì)按鍵這局部，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(gè)按鍵，分別為上、下、左、右、中原理圖如下列圖，在PCB布局上就按照1-5分別對(duì)應(yīng)上下左右中的順序布局。圖3-6AD鍵盤電路5、溫度采集與報(bào)警設(shè)計(jì)5．1溫度采集電路溫度傳感器我們采用單總線的DS18B20，其硬件電路比擬簡(jiǎn)單，使用比擬方便，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。其電路圖如下列圖所示圖3-8普通按鍵電路5.2報(bào)警電路這里我們采用無(wú)源蜂鳴器，這樣報(bào)警的音調(diào)我們可以自己去控制，報(bào)警電路如下列圖所示圖3-9報(bào)警電路6、其余電路的設(shè)計(jì)6.1串口調(diào)試電路的設(shè)計(jì)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(jì)狀態(tài)指示燈的設(shè)計(jì)就比擬簡(jiǎn)單，其原理圖如下列圖圖3-11指示燈電路四、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)4.1軟件局部總體介紹軟件設(shè)計(jì)整體流程本設(shè)計(jì)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)必須有路由的參加，所以本設(shè)計(jì)的軟件局部設(shè)計(jì)分別要對(duì)協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。下列圖為整個(gè)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(cè)到的協(xié)調(diào)器信號(hào)強(qiáng)度超過路由器時(shí)，將直接與協(xié)調(diào)器通信，相反如果檢測(cè)不到協(xié)調(diào)器的信號(hào)或者信號(hào)強(qiáng)度比路由節(jié)點(diǎn)的假設(shè)，那么通過路由節(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(jì)協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)創(chuàng)立和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，為每個(gè)參加該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，在協(xié)調(diào)器啟動(dòng)時(shí)其網(wǎng)絡(luò)地址將自動(dòng)設(shè)置為0x0000。本設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器的工作流程圖如下列圖圖4-13協(xié)調(diào)器啟動(dòng)流程圖4.3路由的軟件設(shè)計(jì)路由器的設(shè)計(jì)相對(duì)協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備要簡(jiǎn)單些，設(shè)置其啟動(dòng)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(gè)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(gè)路由設(shè)備，在該文件中在RouterSettings里只定義了-DRTR_NWK這比協(xié)調(diào)器少了一個(gè)-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(duì)協(xié)調(diào)器要簡(jiǎn)單很多，如下列圖所示圖4-14路由啟動(dòng)流程圖4.4終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)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(shí)的報(bào)警。因此終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)包括其本身終端節(jié)點(diǎn)的功能外，還要設(shè)計(jì)溫度采集局部，和報(bào)警局部。終端節(jié)點(diǎn)的流程如下列圖所示。圖4-15終端節(jié)點(diǎn)流程圖五、上位機(jī)設(shè)計(jì)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(shí)顯示。上位機(jī)軟件如下列圖所示圖5-1上位機(jī)軟件主頁(yè)面在軟件中串口號(hào)和波特率是可以選擇的，左上角有個(gè)界面配置，翻開后如下列圖所示圖5-1上位機(jī)軟件配置面該配置頁(yè)面可以配置協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，包頭、包尾、校驗(yàn)位等，設(shè)置完成后點(diǎn)擊完成即可。六、測(cè)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，翻開串口后頁(yè)面顯示如下，此時(shí)我們只用了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，該頁(yè)面為為設(shè)置報(bào)警數(shù)據(jù)前的頁(yè)面，溫度值正常顯示為黑色，并且在設(shè)置的定時(shí)時(shí)間內(nèi)周期性的閃爍，閃爍的樣式是棕色與黑色交替顯示。圖5-1位置設(shè)報(bào)警數(shù)據(jù)前正常顯示頁(yè)面圖5-1超過一定時(shí)間沒有接收到數(shù)據(jù)頁(yè)面為了測(cè)試報(bào)警，隨意設(shè)置一個(gè)低于當(dāng)前溫度的報(bào)警數(shù)據(jù)，此時(shí)上位機(jī)的顯示局部立即變成紅色，如下列圖所示，圖5-1溫度超限報(bào)警頁(yè)面七、結(jié)論本設(shè)計(jì)應(yīng)用了無(wú)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(wú)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(cè)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)：◆節(jié)約時(shí)間，增加多個(gè)節(jié)點(diǎn)可以解決距離近的問題?！粜畔鬏敺€(wěn)定，在2.4GHZ的頻段下工作，不易被干擾?！?超低功耗，防止了經(jīng)常更換電池的麻煩?！?適用范圍廣，可延伸至多種領(lǐng)域。◆ 功能強(qiáng)，價(jià)格低，便于推廣。該設(shè)計(jì)在工業(yè)領(lǐng)域有很高的應(yīng)用價(jià)值，本設(shè)計(jì)知識(shí)一個(gè)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(jì)的根底上開發(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(gè)美好的未來，或許這些場(chǎng)景里我們不會(huì)太遙遠(yuǎn)了，讓我們拭目以待，這只蜜蜂將會(huì)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(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動(dòng)化儀表，2006,26(6):5-9[2] 瞿雷.一種新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通新技術(shù)ZigBee[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006,