ZigBee無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于 博， 丁高林， 鄭 賓

（中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

0 引言

工業(yè)無(wú)線技術(shù)被稱為工業(yè)控制領(lǐng)域的革命性技術(shù)，是繼現(xiàn)場(chǎng)總線之后的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，是降低自動(dòng)化成本、提高自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用范圍的最有潛力的技術(shù)，也是未來(lái)幾年工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品新的增長(zhǎng)點(diǎn)。工業(yè)控制的無(wú)線技術(shù)目前主要集中在無(wú)線中、短程網(wǎng)方向，基于 802.15.4的ZigBee技術(shù)是其中的典型代表[1]。在工業(yè)領(lǐng)域，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)收集各種信息，并將信息回饋到系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，以利于整體信息的掌握，例如汽車的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，照明系統(tǒng)的感測(cè)，電力公司自動(dòng)抄表系統(tǒng)等，都可以由ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供相關(guān)信息，以達(dá)到工業(yè)與環(huán)境控制的 目的[2]。本文以STC89C52為核心部件，基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，并且采用美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20組成了ZigBee無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了同步溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)原理圖如圖1所示，硬件設(shè)計(jì)包括溫度數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端。數(shù)據(jù)采集端選擇STC89C52控制器、數(shù)字溫度傳感器DS18B20和Zi gBee無(wú)線發(fā)送模塊，數(shù)據(jù)接收端選擇上位機(jī)和ZigBee無(wú)線接收模塊。

圖1 系統(tǒng)原理圖

1.1 ZigBee無(wú)線通信技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)[3-4]。在工業(yè)測(cè)試當(dāng)中，人們可以通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試設(shè)備的工況監(jiān)控、及時(shí)對(duì)設(shè)備的故障情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。

本設(shè)計(jì)采用順舟科技SZ05系列Z-BEE嵌入式無(wú)線串口通信模塊，采用了加強(qiáng)型的ZigBee無(wú)線技術(shù)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無(wú)線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，它具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)和特性；可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；可組MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 順舟科技的ZigBee無(wú)線模塊已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在工業(yè)無(wú)線測(cè)控通信、無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)采集、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線照明、智能電網(wǎng)、無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)、無(wú)線智能交通、無(wú)線測(cè)繪儀表數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域[5]。SZ05模塊如圖2所示，TX2、RX2引腳與控制器串口相連，進(jìn)行串口通信。

圖2 SZ05模塊功能引腳圖

1.2 數(shù)字溫度傳感器

DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為 -55℃～+125℃,在 -10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以一線總線的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。支持3～5.5 V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由4部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器[6-8]。DS18B20的外形及管腳排列如下圖3所示，DQ直接接控制器的P1.1口，GND和VDD接電源。

圖3 DS18B20功能引腳圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)溫度數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊的初始化，系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)組合搭建與測(cè)試

圖5所示為整個(gè)溫度測(cè)試平臺(tái)，數(shù)據(jù)采集端采集數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理通過(guò)無(wú)線發(fā)送出去，上位機(jī)通過(guò)無(wú)線接收進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，整個(gè)實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)溫度顯示和動(dòng)態(tài)溫度顯示。圖6（a）所示為靜態(tài)顯示當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室溫度，圖6（b）所示為動(dòng)態(tài)顯示用手對(duì)DS18B20進(jìn) 行加熱實(shí)時(shí)顯示。測(cè)量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。

圖5 溫度測(cè)試平臺(tái)

圖 6 溫度測(cè)試調(diào)試發(fā)送接收

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以STC89C52為核心器件，基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，結(jié)合DS18B20高精度數(shù)字溫度傳感器成功實(shí)現(xiàn)了溫度的動(dòng)靜態(tài)測(cè)試。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)盡量做到硬件電路簡(jiǎn)單，減小電磁干擾和其他干擾。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展進(jìn)行多點(diǎn)溫度測(cè)試，該設(shè)計(jì)在工業(yè)測(cè)試領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

[1]劉任慶,劉莉娜.基于ZigBee技術(shù)的工業(yè)無(wú)線溫度變送器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2009,6(42):188.

[2]駱晨嵐.ZigBee無(wú)線通信技術(shù)研究[J].科技資訊,2009,13:18.

[3]凌志浩,周怡頲,鄭麗國(guó).ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用研究[J].華東理工大學(xué)學(xué)報(bào),20006,7,32(801).

[4]Gislason Drew，Gillman Tim.ZigBee wireless sensor net-works—ZigBee is an emerging wireless protocol designed for low-cost.High-reliability sensor networks[J].Software Toots for the Professional Programmer,2004,29(1):40-42.

[5]順舟科技.SZ05 系列嵌入式無(wú)線數(shù)傳模塊用戶手冊(cè)[R]. 順舟科技,上海,2011:4.

[6]方琨,張娟,蔡振江,等.基于DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫室環(huán)境采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,28(23).

[7]周月霞,孫傳友.DSl820傳感器及其測(cè)溫方法的改進(jìn)[J].石油儀器,2002(12):36-38.

[8]蘇麟祥.DSl820數(shù)字溫度傳感器的功能特性及其設(shè)計(jì)[J].世界采礦快報(bào),2000(9):329-330.