基于ZigBee和C#的多點無線溫度采集系統的研究與設計

陳子楊+劉艷艷+李媛媛

摘 要：不管是工業、農業、軍事及氣象領域，還是人類生活的環境，都需要對溫度和濕度進行測量和控制。因而，研制可靠且實用的溫濕度測量裝置顯得非常重要。尤其是要實現大環境中的溫濕度測量和自動控制，采用有線網絡的方案難以實現。本文提出采用基于ZigBee技術的無線溫濕度測量與傳輸的方案，在上位機中采用C#構成多點無線溫濕度采集系統，實現對網絡采集的數據統一管理和分析。該系統具有快速展開、穩定可靠、可維護性好等特點。

關鍵詞：溫度采集；ZigBee；C#；多點通信

1、系統的整體概述

該系統通過具有單總線總線接口的溫度傳感器DS18B20實現對溫度的采集，將信號送至ZigBee無線節點，采用ZigBee技術的星型網絡拓撲結構，建立了一個主節點，多個從節點的無線網絡，從節點采集溫濕度數據每隔一定的時間輪流向主節點發送，主節點收到數據之后通過串口將各節點的溫濕度數據傳給上位機監控界面。本文選用C#作為開發語言，進行上位機的設計。

2、硬件系統設計

2.1、DS18B20 溫度傳感器

DS18B20數字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農業大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域【1】。

2.2、CC2530主控芯片

CC2530是一顆真正的系統芯片（SoC）CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4GHzISM波段應用，及對低成本，低功耗的要求【2】。它結合一個高性能2.4GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器。

CC2530包括了1個高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器核心和1個8051控制器，它具有32/64/128 kB可選擇的編程閃存和8kB的RAM，還包括ADC、定時器、睡眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路和21個可編程I/O引腳，這樣很容易實現通信模塊的小型化。CC2530是一款功耗相當低的單片機，功耗模式3下電流消耗僅0.2μA，在32 k晶體時鐘下運行，電流消耗小于1μA【3】。

3、軟件系統設計

整個軟件系統可分為上位機軟件和下位機軟件。上位機相當于一個軟件系統，可以用于接收數據、控制數據。即可以對接收到的數據直接發送操控命令來操作數據。上位機可以接收下位機的信號。下位機是一個控制器，是直接控制設備獲取設備狀況的計算機。上位機發出的命令首先給下位機，下位機再根據此命令解釋成相應時序信號直接控制相應設備。下位機不時讀取設備狀態數據（一般為模擬量），轉換成數字信號反饋給上位機。上位機不可以單獨使用，而下位機可以單獨使用【4】。

3.1 下位機軟件設計

ZigBee除IEEE802.15.4所包含的2層外，網絡層和應用層需要由軟件來實現。IC的供應商以庫文件的形式向用戶提供完整ZigBee協議棧，用戶僅僅完成應用程序的設計便可。應用程序包括各部分功能模塊的初始化，中斷處理和讀寫DSl8820的溫度檢測程序。其中初始化程序包括系統主時鐘源設置、ADC初始化、串口（UART）初始化、時鐘模式初始化、AES（Advanced Encryption Standard）初始化、RF初始化、中斷初始化和DSl8820初始化等。由于文章篇幅限制，這里給出主程序的流程圖，如圖2所示。

3.2 上位機系統設計

上位機的功能主要為串口通信。串口是按位（bit）發送和接收字節。串口通信最重要的參數是波特率、數據位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通信的端口，這些參數必須匹配：

a，波特率：這是一個衡量符號傳輸速率的參數。

b，數據位：這是衡量通信中實際數據位的參數。

c，停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。

d，奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。

在進行PC機和無線采集模塊串行通信前，首先要配置好串口，即串口初始化，使計算機串口的上述參數設置與無線收發模塊的串口參數保持一致，這樣才能夠正確的通信。在開發過程中，主要用到SerialPort的類。

4、結語

在本次項目中，采用DS18B20對溫度度的采集，實現了一種傳輸途徑基于ZigBee星型網絡、數據處理平臺基于C#的多點無線溫濕度采集系統，并在C#平臺上進行顯示。通過實驗調試，該采集系統達到了設計要求，效果良好。最后要感謝西北民族大學電氣工程學院能給我這么一次學習的機會，感謝我的楊雪松老師和張興莉老師在項目執行過程中對我的幫助。

參考文獻：

【1】邴春秋，鄭萍. 基于ZigBee的遠程無線I/O模塊設計及應用. 西華大學，2008.

【2】倪康，徐曉光，崔晶. 基于C#和Zigbee的大棚溫濕度監測系統設計[J]. 洛陽師范學院學報，2015，（02）：41-44.

【3】周怡颋，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無線通信技術及其應用探討.自動化儀表，2005，26（6）.

【4】李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：5-10，20-23.

作者簡介：

陳子楊，男（漢族），湖北黃石人，西北民族大學電氣工程學院本科在讀生，研究方向：物聯網工程、嵌入式。