基于ZigBee技術的無線溫度監測系統設計

北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192

一、引言

溫度監測系統在生活中有著廣泛地應用，比如：溫室大棚的溫度監測、工廠車間的溫度報警裝置等等。在一些特定環境中，溫度監測環境范圍大，測點距離遠，傳統的布線方式很不方便，這時就要采取無線方法對溫度數據進行采集。ZigBee協議作為一種全新的無線傳感技術應運而生，它以配置快捷、節點耗電低、雙向傳送數據和控制命令等特點在其他無線通信協議中脫穎而出，成為了眾多廠家的首選協議。

ZigBee可以在一定區域內進行監測，并將所收集的數據發送到中心節點，以便實現區域的監測、跟蹤和遙控。大量廉價的節點進行有機的組合，并按照一定的通信標準就構成了ZigBee無線網絡，每個網絡節點都具有自己的位置，發揮一定的作用。ZigBee網絡是大規模的、自組織的、多跳的，在整個網絡中基本上設備是固定的，它們都彼此在一定的監測區域發揮著自己應有的作用，由于每個設備都處在末端，有時候會在一些惡劣的環境中，所以這些節點的工作時間要長[1]。

基于ZigBee的無線溫度監測系統能夠更便捷、可靠地完成人們的測溫要求，與其它技術比較來說，具有成本低、工作時間長的特點，突出的優點是非常簡潔，能夠快速應用到實際中。

二、系統的硬件設計

本系統是利用ZigBee技術來實現無線溫度監測的目的，那么就需要對ZigBee系統進行設計，包括無線通信模塊、協調器和終端的設計，搭建完整的硬件電路，進而對環境溫度進行智能監測。整體結構如圖1所示。

1、無線網絡通信模塊設計

通信芯片選擇的是TI公司的CC2530。CC2530是一種用于2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee/RF4CE的單芯片解決方案，具有射頻性能好、功耗超低、靈敏度高、抗噪聲及干擾能力強等優點，而且成本低廉，只需很少的外置低成本元件即可支持快速、廉價的ZigBee節點的構建。CC2530在一般空曠環境下的最遠通訊距離為100m左右。

CC2530芯片集成了可編程閃存、MCU和ZigBee RF，其中MCU為8位單周期8051微控制核心，外設資源包括DMA、定時/計數器、看門狗定時器、AES-128協處理器、8～14位ADC、USART、睡眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳[2]等。

CC2530的功耗很低，其睡眠與工作模式間激活轉換時間非常短，是超長電池使用壽命應用的理想解決方案，在接收和發射傳輸模式下的電池損耗分別為27mA和15mA[3]。

另外，TI公司還提供了開源的協議棧，協議棧的底層代碼已經封裝完畢，只需調用即可，提高了程序開發的效率。

CC2530芯片的RF-P 與RF-N管腳是一對差分輸入輸出信號。射頻輸入和輸出電路中使用2.4GHz頻段的信號，使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓器，使天線性能更優?；具B接圖見圖2。

2、協調器節點設計

協調器作為網絡的關鍵點，主要功能是進行網絡的組建，并將接收終端節點的溫度數據包然后發送給上位機。協調器節點結構如圖3所示，主要包括CC2530核心模塊、串口通信模塊、電源模塊等。

本系統中協調器有著很重要的作用，它負責整個網絡的搭建。協調器可以允許終端節點的加入，另外協調器作為數據傳輸的中樞神經，將溫度數據通過串口發送給上位機。電源模塊是最基本的模塊，提供給協調器進行工作的能量來源。仿真器模塊通過USB與仿真器接口將主機和CC2530通信模塊相連，主要負責將協調器的程序下載，可以在線調試。LED指示電路模塊負責指示協調器的工作狀態和運行流程，LED閃爍一次表示協調器開始工作，連續閃爍四次表示終端節點成功加入網絡，來判定當前協調器運行狀態，也可以檢驗協調器是否正常的工作。

3、終端節點設計

終端模塊主要負責將采集的溫度數據進行處理并打包，并把溫度數據包發送給協調器。除此之外還需要判斷協調器發過來的溫度控制命令。終端節點組成結構圖如圖4所示，系統由CC2530無線通信/處理、溫度傳感器、電源、仿真器、LED指示電路等模塊組成。

終端節點作為溫度數據采集的主要節點在整個網絡中發揮重要作用。終端節點需要采集溫度，并且需要處理溫度數據。當然終端節點也需要電源來保障其正常工作。終端節點中有LED指示電路模塊負責指示其工作狀態和運行流程，LED閃爍一次表示協調器開始工作，連續閃爍兩次表示未成功加入網絡，連續閃爍四次表示成功加入網絡，以此來判定當前協調器運行狀態，也可以檢驗終端是否正常工作。

溫度傳感器采用DALLAS公司生產的DSl8B20，測溫范圍在-55℃～ +125℃之間，溫度計的分辨率可以從9位到12位選擇[4]。DSl8B20是1-Wire即單總線器件，具有單線接口、體積小和線路簡單的特點，處理器和DSl8B20僅需一條連接線就可完成數據收發及電源提供（也可以由外部的3.3V電源供電），在一根通信線上可以掛很多的溫度計，形成多點分布應用。

傳感器DS18B20主要引腳包括接地端、輸入/輸出端和電源端，它與CC2530的P1.1口相連，用于溫度數據的傳輸，電源接3.3V電源。

4、擴展功能模塊設計

（1）串行通信接口設計

本系統中應用到了CH340 USB轉接芯片，實現了USB轉串口，在開發板上焊接了USB模塊方便與PC機進行通信。

串行通信模塊原理圖如圖5所示。CH340芯片中的RTS和DTR引腳分別連接CC2530芯片的TXD（P03）和RXD（P02）。USB模塊的2和3引腳分別接到了CH340的管腳VD-和VD+引腳上。

（2）電源模塊設計

本系統中的通信芯片具有低功耗的特點，再加上節點的便捷性，采用電池板進行供電，能很好地滿足芯片的要求，且能降低開發成本。因此本次設計使用2節5號電池。原理圖如圖6所示。

三、系統的軟件設計

系統的軟件設計保證系統按照預期效果工作，通過對硬件模塊進行程序編寫，來達到ZigBee網絡的組建，溫度的采集和發送，節點數據的傳輸和顯示。系統的硬件模塊主要有協調器、終端兩個部分，那么軟件設計就要按照這兩個部分進行，即協調器軟件設計、終端軟件設計、上位機軟件設計。系統軟件結構如圖7所示。

1、系統軟件開發環境

本系統的開發環境是與CC2530配套的IAR Embedded Workbench IDE，Z-Stack為開發者提供了大量的程序代碼和API函數接口，提高了開發效率。Z-Stack分為以下幾層：AP、HAL、MAC、NWK、OSAL、Security、Service、ZDO[5]。我們主要對 API層進行調用，把已建立好的項目做修改，添加自己的應用程序，利用移植的方式來開發項目。IAR打開工程后，就可以看到整個協議棧的分布。主要對App中的文件進行修改來達到自己預期的要求，所以說會降低開發周期，非常適合工程項目的開發。

Z-Stack的主函數在ZMain.c中的主要工作是系統初始化，即由啟動代碼來初始化硬件系統和軟件結構需要的各個模塊，然后開始執行操作系統實體。

2、協調器軟件設計

在ZigBee網絡中，協調器起著至關重要的作用，完成整個網絡的組建工作。它作為網絡的中心，是第一個要啟動的，通過它來建立數據通道。通電后，首先要進行硬件和軟件架構的初始化。完成后，開始掃描信道，選擇一個合適的信道，并且選一個PAN_ID，然后通過廣播的方式發送網絡ID號、信道等[6]。終端節點的申請入網信號一旦被協調器接收到，終端節點得以加入網絡中，并為其分配16位短地址[7]。協調器接收到終端傳來的溫度數據包，并通過串口傳輸給PC機。協調器不會進入休眠模式，它會一直保持著工作的狀態。其工作流程如圖8所示。

3、終端器軟件設計

本系統的終端通電后，節點啟動，并不斷掃描指定的頻道，向協調器發送加入網絡的請求，如果沒有成功加入，則再次嘗試加入網絡。加入網絡成功后，得到協調器分配的網絡地址，沒有事件處理時就進入休眠狀態，以降低功耗，延長使用時間。當有事件需要處理時，喚醒系統，節點每隔一定的周期采集和讀取周圍環境的溫度，并把采集的數據打包發送給協調器，如果發送成功，節點將會進入休眠狀態；如果沒有成功，就要不斷的發送數據包，直到發送成功。終端設備通信流程如圖9所示。

4、上位機軟件設計

在系統中，當協調器收集到終端發送來的數據時，對溫度數據進行一系列處理，將溫度數據通過串口傳輸給PC機。本系統不僅要監測當前環境的溫度，同時還要對當前溫度進行必要的調節，通過上位機應用程序設定溫度的閾值，當溫度低于或者高于設定的溫度范圍時，會提示溫度不在正常范圍內，需要進行調節。這時應用者就可以了解到當前溫度的情況，做好調節溫度的措施。上位機軟件系統流程圖如圖10所示。

在VC++的MFC窗體中集成了串口庫，通過插入Microsoft Communication Control控件來完成上位機的編寫[8]。需要注意的是，COM和波特率一定要設置正確，否則不能進行正常的通信。串口成功打開后，成功接收數據，將溫度數據包讀到緩沖區buff之中，對數據進行處理，將數據顯示在指定的位置，當要關閉此系統時，選擇退出，此時若成功關閉，整個窗口就會關閉。設計的軟件界面圖如圖11所示。

四、系統的調試和測試

1、網絡連接測試

在整個ZigBee系統中建立網絡、加入網絡、離開網絡和網絡地址分配機制，主要是在網絡層完成的。網絡層利用MAC層進行信道掃描、連接和斷開連接功能，形成了比較完善的網絡機制。

只有協調器具有建立網絡的能力。建立一個網絡，要選擇合適的信道和網絡ID，并且要設置網絡地址。當協調器負責的區域中有終端節點加入的時候，終端節點會發出指令將其作為父節點，與其建立網絡連接。協調器需要允許該終端節點的加入，為其分配網絡地址，完成整個網絡的搭建。

當一個節點要加入網絡時，節點首先使用信道掃描找出所有可以加入的網絡，然后選擇其中的一個設備作為自己的父節點，并調用MAC層連接過程建立父子關系，加入網絡。父節點接收到該節點的連接請求后，如果網絡可以加入設備，那么將為這個節點分配網絡地址，并且回復該節點的請求，就可以知道自己是否成功加入網絡中。

在本次設計中要達到的預期效果有：協調器在通電啟動之后組網過程中LED指示燈會閃爍4次，表示協調器正在組網，閃爍之后就會一直亮的狀態說明已經組網成功，等待終端節點的加入；終端節點通電啟動后LED指示燈會一直閃爍，掃描當前環境中是否有可加入的網絡。當存在網絡后終端節點開始申請加入網絡，加入成功后LED指示燈會一直處于點亮的狀態。

測試時，把協調器和終端各自的程序燒進開發板，并且兩個板子都用電池供電，能達到預期的效果，則兩個節點之間的網絡連接已經成功。

2、溫度監測功能測試

為測試溫度監測系統整體效能，搭建了一個簡易的ZigBee網絡，主要是一個協調器、一個終端節點和一臺PC機。

首先把上位機程序運行起來，用USB連接線把協調器與PC機連接起來，選擇串口COM3和115200波特率，確保能進行正常的通信。然后給各個節點供電，協調器節點建立網絡，發起網絡連接；終端節點自動掃描當前環境的網絡并加入網絡。各節點的指示燈均閃爍，表示工作處于正常狀態。終端節點采集到溫度數據并發送給協調器，協調器把接收到的數據包做一定的處理，將數據上傳到上位機顯示界面。這時將判斷當前溫度是否處于設計的溫度范圍內，把上限閾值設為30.0℃，下限閾值設為20.0℃，測得的當前溫度為28.8℃，如果當前溫度是正常的將會提示溫度正常；把上限閾值設為25.0℃，下限閾值設為20.0℃，測得的當前溫度值為30.5℃，很明顯當前溫度不在設定的溫度范圍內，將會進行溫度預警，并提示做好調節溫度的措施。測試界面如圖12所示。

五、結束語

本系統設計主要利用ZigBee技術，結合溫度傳感器，組成了一套無線溫度監測系統，通過對Z-Stack協議棧進行編程，更好地了解底層的編碼環境，對ZigBee技術的使用更加深入。無線溫度監測較傳統的溫度監測有了進一步的升級，適用的環境也多種多樣，尤其是在現場環境比較惡劣、場所比較復雜或是需要監測多點數據的時候更能發揮無線技術的優勢。但是該系統比較簡單，針對此問題，需要接下來更深一步進行研究。