基于Zigbee的溫度監測系統的研究

張洪波

（海裝航空技術部 北京 100071）

基于Zigbee的溫度監測系統的研究

張洪波

（海裝航空技術部 北京 100071）

文中介紹了一種基于Zigbee技術的溫度監測控制系統，并對系統的整體設計進行了分析研究。該系統中的Zigbee網絡采用了星形結構并且運用了CC2430芯片和DS1820溫度傳感器相結合，從而實現了環境溫度的穩定實時監測，并且通過PC機對采集的溫度數據進行顯示和保存。該系統實現了實時監測、安裝方便、結構簡單、運用靈活并且低功耗的特點。

Zigbee；溫度監測；CC2430；DS1820；傳感器

環境溫度不僅僅關系到工業、農業的生產，也關系到軍事領域，在軍事倉儲、技術陣地環境監測中，溫度控制是主要的被控對象，環境的情況直接影響著武器裝備的技術狀態。目前溫度監測系統存在布線麻煩、受干擾程度強等問題。為了解決以上問題并且提高溫度監測的精確性，本文采用了Zigbee無線傳感器網絡，它綜合了傳感器、嵌入式計算、現代網絡以及無線通信和分布式信息處理技術[1]，以CC2430芯片為核心，通過DS1820溫度傳感器協同完成環境溫度的實時監測和采集，再將信息通過無線方式傳送，并且以自組多跳的方式傳送到用戶終端PC機上進行顯示，在軍事倉庫以及技術陣地的溫度檢測中，可以實現監測更加精確，安裝更加方便、靈活。

1 系統構成

該溫度監測系統主要由微處理器模塊、傳感器模塊和無線接收模塊3大部分組成。其中溫度傳感器模塊和無線接收模塊是系統的采集節點，它主要負責采集環境溫度數據以及數據的轉換并且進行傳送；微處理器模塊和無線接收模塊構成系統的主節點，它主要實現建立ZigBee 網絡和接收采集節點發送出的數據，并且控制溫度檢測采集，再把數據再通過PC 機的連接接口發送到PC機上，直接實現通過PC機進行顯示，最后在PC機中進行數據的保存和處理。圖1是溫度監測系統結構框圖。

圖1 溫度監測系統結構框圖Fig. 1 Temperature monitoring system

2 硬件設計

ZigBee是ZigBee聯盟在IEEE802.15.4定義的物理層（PHY）和媒體訪問空間控制層（MAC）基礎之上制定的一種低速無線個域網（LR-WPAN）技術規范。ZigBee可以根據不同的工作頻段，數據傳輸速率不同，都處于較低的速率[2]；由于ZigBee技術的傳輸速率低，傳輸的數據量小，所以信號的收/發時間短，并且在非工作模式時，ZigBee節點處于休眠模式，低功耗；ZigBee通信延時以及從休眠狀態激活的時間非常短；成本低、可靠數據傳輸、大容量網絡，這些都是ZigBee所具備的特點。

ZigBee有3種拓撲結構：星形拓撲結構、網狀網絡拓撲結構和簇狀樹形拓撲結構[3]。本設計中采用的是星形拓撲結構，系統中所有的終端設備都與唯一的中央控制設備——PAN協調器通信，即主節點和若干個采集節點組成。PAN協調器安裝于溫度檢測控制室，直接負責Zigbee網絡的建立和管理，并且將溫度數據直接通過LCD顯示，再傳送到計算機中，由操作人員進行觀察與記錄。

2.1 主節點

本系統采用CC2430芯片，它整合了業界領先的2.4GHz IEEE802.15.4/Zigbee RF 收發機CC2240以及工業標準的增強型8051MCU的卓越性能，還包括了8KB的SRAM、大容量閃存以及許多其他的強大特性[4]。系統中的MCU直接采用CC2430自帶的8051微控制器，它擴展了18個中斷源，而且每個機器周期的一個時鐘周期都與標準8051每個機器周期的12個時鐘周期相對應，執行指令時間比標準8051快很多，而且精簡了外部設備。CC2430芯片接LCD顯示屏，當8051接受到數據處理結束后，發出中斷時LCD顯示采集的溫度數據。鍵盤輸入模塊采用的是4×4的矩陣鍵盤，該輸入模塊包含了數據輸入及功能設定按鈕。

CC2430具有極高的接收靈敏度和抗干擾能力；8KBSRAM具備在各種供電方式下的數據保持能力；強大的DMA功能；電源電壓范圍寬（2.0～3.6 V）；2個支持多種串行通信協議的USART；1個通用的16位和2個8位定時器；21個通用I/O引腳，其中2個具有20mA的電流吸收或電流供給能力；提供強大、靈活的開發工具[5-6]。

系統中CC2430采用內部系統時鐘，用16 MHz高頻RC振蕩器，通過設置特殊功能寄存器CLKCON字節實現。PC機與CC2430之間采用串口通信，運用UART模式與RS232之間連接MAX232轉換器，或者可以運用串口轉USB口數據線連接與PC機。

2.2 采集子節點

溫度傳感器采用DS18B20。它具有獨特的單線接口方式，在與CC2430連接的時候只需要一條線即可實現雙方之間的通訊，其側量范圍為-55 ～125 ℃，固有測溫分辨率0.5 ℃；支持多點組網功能；測量結果以9～12位數字量式串行傳送，簡化了分布式溫度傳感器的運用；無需外部元件，因為每一個DS18B20含有一個獨特的序號，所以多個DS18B20可以同時存在于一條總線上，使得溫度傳感器放置于不同地方。在本系統設計中，將DS18B20數據線與CC2430的I/O口相連，連接時注意在數據腳加4.7kΩ的上拉電阻。在每一個Zigbee節點處都連接溫度傳感器DS18B20監測不同地方的環境溫度信息。

3 軟件設計

本系統采用星形拓撲結構，一個主節點即協調器，這里運用的是CC2430自帶的8051微控制器，負責建立網絡并且分配地址；溫度采集節點負責完成溫度的采集并傳送到主節點中，再由PC機顯示，主要軟件部分需完成3大部分：主節點、溫度數據采集與處理和數據的無線收發。

圖2是主節點流程圖。主節點首先建立一個隨機的網絡ID號，從而網絡層向MAC層發送請求建立新PAN，網絡層提供了設備加入/退出網絡的機制、幀安全機制、路由發現以及維護機制。建網成功之后，溫度傳感器節點加入到網絡中并且被分配16位的地址，系統開始監測采集信息，當接收到采集數據時，LCD進行顯示。

圖2 主節點流程圖Fig. 2 The main nodes flow chart

圖3 溫度采集節點流程圖Fig. 3 Temperature acquisition nodes flow chart

圖3為溫度采集節點流程圖。首先對整個系統進行初始化，再發送請求加入網絡信號并且等待主機分配的地址。如果加入網絡成功，則進入空閑狀態等待調用溫度采集程序的溫度數據的讀取，再將數據發送到主節點，從而循環進行。

PC機的管理軟件運用VC++進行編寫，為用戶提供管理和監控系統的運行，很好的實現友好的人機界面。管理軟件主要實現：

1)各節點參數（溫度）信號的顯示;各節點參數（溫度）歷史記錄；2)實時、動態、直觀的顯示各控制點的溫度曲線圖;3)可以顯示報警畫面：當系統出現故障時，工作人員可以通過畫面直觀的看到報警信號的工號、報警類型、報警時間和當前值，點擊報警項就會切換到報警工號對應的操作界面，工作人員可進行相應的修改，當修改結束后報警可以通過復位鍵進行復位；4) 歷史報告畫面：可以查詢操作人員的操作記錄和操作的詳細時間，包括系統的啟停、各參數修改前和修改后的值等；5)數據的保存與打印。

4 結 論

本系統設計是基于CC2430和DS18B20的無線測溫裝置[7]，該系統精簡了外設、集成度和可靠性高、成本低、功耗低、體積小而且維護方便，采集的溫度數據及時且系統操作靈活、快捷。管理人員可以直接通過上位機PC機直接對系統進行管理和監控，方便的查看溫度數據以及參數的設置，應用前景廣泛。

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CUI Jing-wei,HUANG Hao.Design of wireless temperature acquisition system based on ARM and ZigBee[J].Electronic Science and Technology, 2013(4):12-13,16.

Design of the temperature monitoring system based on Zigbee

ZHANG Hong-bo
（Department of Aviation Technology Support of NED,Beijing100071,China）

This paper introduces a kind of temperature monitoring and control system based on Zigbee technology,and the overall design of the system is analyzed and studied. System in the Zigbee network uses star structure and the CC2430 chip and the DS1820 temperature sensor is combined, realizing stable real-time monitoring of environmental temperature, then the temperature data is displayed and saved through the PC machine. The system has the advantages of convenient installation, simple structure, flexible and low power consumption.

Zigbee; temperature monitoring; CC2430; DS1820; sensor

TN83

A

1674-6236(2014)07-0079-03

2013-08-02稿件編號201308024

張洪波(1967—)，女，北京人，高級工程師。研究方向：信息技術應用。