摘要：針對有線測量系統(tǒng)的布線紛繁復(fù)雜，系統(tǒng)容易老化，成本高，靈活性差，不具有可移動性的缺點(diǎn)進(jìn)行了基于CC2480 IEEE 802.15.4/ZigBee 片上解決方案和DS18B20 數(shù)字溫度傳感器的無線溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)采集待測對象內(nèi)任意點(diǎn)處的溫度值，并能向用戶端顯示所采集到的溫度值。該系統(tǒng)方便架設(shè)，易于使用和維護(hù)。

　　0 引言

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)的不斷進(jìn)步，ZigBee 無線通信技術(shù)的發(fā)展日益成熟，其被廣泛應(yīng)用于無線傳感器測量網(wǎng)絡(luò)、工農(nóng)業(yè)監(jiān)控、智能交通、智能家居等眾多領(lǐng)域。ZigBee 無線通信技術(shù)的低功耗、短距離、低成本、布網(wǎng)靈活等特點(diǎn)十分適用于需要自動連續(xù)采集數(shù)據(jù)、局域分布測量、大范圍聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的測量場合。

　　傳統(tǒng)的有線溫度采集系統(tǒng)，布線紛繁復(fù)雜，系統(tǒng)容易老化，成本高，靈活性差，不具有可移動性，而無線溫度采集傳輸系統(tǒng)能解決這些問題，并能節(jié)約人力資源。利用無線溫度采集傳輸技術(shù)還可以減少工作人員的人身危害，不用他們冒險就可以采集到現(xiàn)場的溫度。

　　本文設(shè)計了一種基于ZigBee 無線通信技術(shù)的溫度測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的無線通信，同時上位機(jī)對溫度信息進(jìn)行收集，并進(jìn)行統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)擴(kuò)展性好，維護(hù)方便。

　　1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

　　由于zigbee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星形，樹形，網(wǎng)狀3 種模式，按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能劃分可分為終端節(jié)點(diǎn)（ep）、路由器節(jié)點(diǎn)（rp）和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（cp）3 種。其組織結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)起并維護(hù)一個無線網(wǎng)絡(luò)，識別網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；路由器節(jié)點(diǎn)支撐網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)；終端節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的感知者和執(zhí)行者，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)動作。這就要求ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需扮演終端感知者、網(wǎng)絡(luò)支持者、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者3種角色。在本設(shè)計中，考慮到各種局限，采用星型結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)有若干個終端節(jié)點(diǎn)，一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，沒有路由節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 多點(diǎn)無線溫度測量系統(tǒng)框圖

　　終端節(jié)點(diǎn)將采集到的溫度信息無線傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理所有與之相連的終端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與之組網(wǎng)，并接受來自終端節(jié)點(diǎn)的溫度信息以及終端節(jié)點(diǎn)的信息并將所有的信息傳送給PC機(jī)，顯示給用戶。對于一些控制系統(tǒng)，PC機(jī)還可以針對不同的應(yīng)用情況進(jìn)行分析從而做出不同的控制。

　　2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計

　　終端節(jié)點(diǎn)利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20 采集溫度信息，將溫度信息送交微控制器CC2480 進(jìn)行初步處理，通過CC2480 芯片中集成的RF 射頻天線將溫度信息以及發(fā)送端的信息傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。功能上主要有3 個模塊：溫度采集模塊，微控制模塊，無線通信模塊。其對應(yīng)的硬件模塊如圖3 所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

　　2.1 溫度采集模塊

　　溫度采集模塊實現(xiàn)從環(huán)境中采集溫度信息。由于CC2480 芯片里集成的模擬溫度傳感器不高，需要人工校準(zhǔn)，故本設(shè)計采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20 與CC2480 實現(xiàn)溫度傳感應(yīng)用。DS18B20 是美國Dallas 半導(dǎo)體公司推出的一種智能數(shù)字溫度傳感器。它能夠直接讀出被測溫度，并可根據(jù)實際要求通過編程實現(xiàn)9~12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式，可以測量- 55℃~+125℃的溫度，在- 10℃~+85℃溫度范圍內(nèi)具有±0.5℃。從DS18B20讀出信息或是寫入DS18B20 信息僅需要1 根口線（即單總線接口）。溫度變換、讀取等所需的能量由總線提供，無需外接電源。使用DS18B20 可以節(jié)省系統(tǒng)資源、使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高，更節(jié)能，更適用于溫度緩變場所的長時間溫度監(jiān)測。

　　2.2 微控制模塊

　　微控制模塊實現(xiàn)對溫度信息的預(yù)處理以及將溫度信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。微處理器是基于TI 公司生產(chǎn)的CC2480 芯片。該CC2480 芯片是TI 公司在2008 年4 月30 日推出的首款經(jīng)ZigBee 的新Z- Accel 系列網(wǎng)絡(luò)處理器，是基于IEEE 802.15.4/ZigBee 無線通信協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的集成芯片。CC2480 芯片內(nèi)嵌入高性能和低功耗的8051 微控制器核，集成了符合IEEE802.15.4/Zig-Bee 標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz 頻段的RF 無線電收發(fā)模塊，還集成了12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC模塊，具有電池檢測和溫度傳感功能，具有串口等豐富的接口資源。它能夠簡化設(shè)計，縮短開發(fā)時間。圖4 所示是CC2480 外圍電路圖。

圖4 CC2480 外圍電路圖

　　3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

　　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要功能：接收來自發(fā)送端的溫度數(shù)據(jù)信息和發(fā)送端的節(jié)點(diǎn)信息，并對信息進(jìn)行處理，接收端將處理好的信息傳送給上位機(jī)進(jìn)行顯示。功能上主要有：無線通信模塊，微處理模塊，串口通信模塊。對應(yīng)的硬件圖如圖5 所示。

圖5 接收部分系統(tǒng)框圖。

　　3.1 無線通信模塊

　　CC2480 無線模塊主要由電源、復(fù)位電路、串口連接電路和無線收發(fā)電路組成。TTL電平與PC機(jī)的RS232 電平并不是兼容的，故在發(fā)送數(shù)據(jù)時，RS232 串口數(shù)據(jù)經(jīng)過MAX232 將電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，再通過CC2480 無線發(fā)送。接收數(shù)據(jù)則是發(fā)送數(shù)據(jù)的逆過程，CC2480 先接收到數(shù)據(jù)信號，然后經(jīng)MAX232 將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232 的標(biāo)準(zhǔn)電平，再通過RS232 向上位機(jī)輸入數(shù)據(jù)。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　程序設(shè)計主要包括幾個方面：各個節(jié)點(diǎn)中的功能模塊驅(qū)動程序設(shè)計，系統(tǒng)組網(wǎng)程序設(shè)計，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)通信程序設(shè)計。在整個系統(tǒng)中，每個節(jié)點(diǎn)都是用了ZigBee協(xié)議，在ZigBee 協(xié)議中，廠商已經(jīng)提供眾多函數(shù)：包括新建網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備加入和離開網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀，尋找父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包等。

　　整個系統(tǒng)的主要函數(shù)包括主函數(shù)、溫度測量、無線組網(wǎng)和通信函數(shù)。系統(tǒng)開始時，協(xié)調(diào)器首先初始化，協(xié)調(diào)器包含所有網(wǎng)絡(luò)信息，它負(fù)責(zé)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，建立網(wǎng)絡(luò)，等待終端節(jié)點(diǎn)的加入。終端節(jié)點(diǎn)初始化后開始尋找指定信道上的協(xié)調(diào)器，并發(fā)出請求。建立連接后，終端節(jié)點(diǎn)會獲得相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址，并向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送溫度信息。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到溫度信息，并對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理然后發(fā)給上位機(jī)。

　　圖6 所示是系統(tǒng)的總流程圖。

圖6 系統(tǒng)總流程圖

　　5 結(jié)語

　　基于CC2480 芯片的無線溫度測量系統(tǒng)，采用ZigBee協(xié)議棧，做到了真正意義上的無線組網(wǎng)，所有的傳感器都處在一個無線網(wǎng)絡(luò)中。由于ZigBee 協(xié)議的低功耗，可靠性高，擴(kuò)充性良好等特點(diǎn)，本設(shè)計還可以改成溫度測量控制系統(tǒng)。如果將傳感器換成其他類型的傳感器，如濕度傳感器、煙火傳感器，氣體傳感器，紅外傳感器組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)計還可以用在智能家居，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，現(xiàn)代工業(yè)等諸多方面。如果在本系統(tǒng)上加上控制模塊，本設(shè)計就可用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，現(xiàn)代工業(yè)等領(lǐng)域的智能控制系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn):

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