基于CC2530的ZigBee無線組網(wǎng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

麥 軍，鄧巧茵，萬智萍

（中山大學(xué)新華學(xué)院 信息科學(xué)系，廣東 廣州 510520）

現(xiàn)代生產(chǎn)、生活都與溫度息息相關(guān)，溫度作為人們?nèi)粘Ｉ钪笜?biāo)，影響著人們的行為活動(dòng)，根據(jù)溫度高低的不同繼而進(jìn)行應(yīng)對，溫度也影響著各種生命資源的存在，溫度是構(gòu)成地球上多種多樣生命的重要因素之一。在住宅小區(qū)、寫字樓、超市、溫室種植場、煤礦井等等環(huán)境下都需要進(jìn)行溫度的監(jiān)測[1]，確保所有人的生命安全和權(quán)益。當(dāng)下計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)等都得到了很好的應(yīng)用，智能化的設(shè)計(jì)變得越來越受人們所追捧，更多的人才投入到這一領(lǐng)域上來，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)等當(dāng)今比較熱門的技術(shù)提供了很好的前提條件。ZigBee技術(shù)是現(xiàn)時(shí)熱門技術(shù)之一，因其具有低功耗、低成本、可靠等特點(diǎn)，因此在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用[1]。針對溫度分布的不均勻性，設(shè)計(jì)一個(gè)采用ZigBee技術(shù)組建的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以很好地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，增大測量范圍和測量的準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)的搭建

系統(tǒng)主要由溫度采集處理模塊、CC2530無線傳輸模塊、ZigBee通信模塊、上位機(jī)模塊等幾部分組成。

1.1 系統(tǒng)模塊功能的介紹

1）溫度采集處理模塊：使用DHT11傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的測量，測量所得到的數(shù)據(jù)傳輸至ARM處理器進(jìn)行分析，獲得用戶最終所需的溫度表示形式。

2）CC2530無線傳輸模塊：CC2530芯片組合 CC2591射頻前端實(shí)現(xiàn)范圍更廣的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測更多的溫度數(shù)據(jù)。

3）ZigBee通信模塊：采用ZigBee協(xié)議組建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)短距離，低能耗，更多節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)通信。

4）上位機(jī)模塊：將下位機(jī)收集到的溫度數(shù)據(jù)結(jié)合圖形的方式，實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)給用戶。

1.2 系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。系統(tǒng)采用ZigBee協(xié)議建立無線通信的星形自組網(wǎng)絡(luò)，CC2530芯片負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線傳輸，所有的節(jié)點(diǎn)上均裝有CC2530芯片和CC2591射頻前端。整個(gè)系統(tǒng)只需一個(gè)主模塊負(fù)責(zé)收集各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送過來的溫度數(shù)據(jù)，然后通過RS232串口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信，便可以供用戶監(jiān)測某段時(shí)間內(nèi)，某一節(jié)點(diǎn)溫度變化情況。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

2.1 無線通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

2.1.1 CC2530無線傳輸模塊

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 Structure diagram of the system

系統(tǒng)最核心環(huán)節(jié)就是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信，傳輸模塊采用德州儀器（TI）公司制造的無線射頻收發(fā)芯片CC2530作為硬件核心。CC2530芯片內(nèi)部集成IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，是支持 ZigBee應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，具備工作頻段為2.4 GHz的優(yōu)越RF收發(fā)器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，其可編程輸出率高達(dá)4.5 dBm[2]；CC2530內(nèi)部集成低功耗的增強(qiáng)型8051 MCU內(nèi)核，具有256KB的Flash ROM和8KB的RAM，具備在各種電源管理模式下的數(shù)據(jù)保持能力；片外設(shè)有8通道輸入并可配置的12位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART接口，21個(gè)通用的GPIO引腳（19個(gè)4 mA，2個(gè)20 mA），看門狗電路，具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時(shí)器，3個(gè)通用定時(shí)器 （1個(gè)16位，2個(gè)8位），高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）安全協(xié)處理器等，支持ZigBee協(xié)議棧的功能；CC2530工作在-40～125℃的范圍內(nèi)，CC2530支持2.0～3.6 V范圍的電源驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)250kbps[3]，具有工作、休眠和中斷3種模式，其從休眠模式轉(zhuǎn)到工作模式只需極短時(shí)間，消耗功率極低，滿足了本系統(tǒng)進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)傳輸時(shí)對電池壽命長和低功耗的要求。CC2530電路原理圖如圖2。

圖2 CC2530電路原理圖Fig.2 Schematic circuit diagram of CC2530

為了增大數(shù)據(jù)的傳輸范圍，因此增加一級功率放大器，設(shè)計(jì)選取了同為德州儀器（TI）公司所推出的一款高性能RF前端的低功耗的工作在2.4 GHz的射頻設(shè)備CC2591[2-3]，輸出功率可高達(dá)22 dBm，通過使CC2591內(nèi)部的LNA工作在高增益的環(huán)境，能夠進(jìn)一步抑制NF并提高系統(tǒng)的接收靈敏度，而且CC2591具備自動(dòng)休眠和喚醒的功能，減輕了系統(tǒng)的耗能；通過放大電路實(shí)現(xiàn)功率放大后，在空曠場地的信號傳輸距離最高可達(dá)2 000 m[4]，有效地增大溫度數(shù)據(jù)采集的范圍。本系統(tǒng)測試在30 m的距離下進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集得到很好的效果。CC2591電路圖與連接圖如圖3。

2.1.2 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee作為一種新興的雙向無線通信技術(shù)，是建立于IEEE 802.15.4無線個(gè)域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，使用全球統(tǒng)一無需申請的2.4GHz頻段[4]。ZigBee協(xié)議主要由物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）組成，其中遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的有物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC），網(wǎng)絡(luò)層（NWK）與應(yīng)用層（APL）由 ZigBee 聯(lián)盟制定[5]。

圖3 CC2591電路圖與連接圖Fig.3 Circuit and the connection diagram of CC2591

ZigBee作為一種短距離無線自組網(wǎng)通信技術(shù)，以其具有低成本、低功耗、安全性高、低速率、結(jié)構(gòu)簡單、快速可靠等特點(diǎn)，廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化、智能家居、農(nóng)林業(yè)等領(lǐng)域[6]。當(dāng)ZigBee節(jié)點(diǎn)不處于工作狀態(tài)時(shí)自動(dòng)處于休眠狀態(tài)，表現(xiàn)出ZigBee快速、低功耗等特點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)的使用情況下壽命可達(dá)6～24個(gè)月或更長[7]，ZigBee中一個(gè)主節(jié)點(diǎn)支持255個(gè)子節(jié)點(diǎn)[5]，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配有唯一的通信地址，組建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可擁有65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，過程中可以動(dòng)態(tài)地增加新節(jié)點(diǎn)，多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接還可組建成規(guī)模更大的無線通信網(wǎng)絡(luò)[8]，采用ZigBee技術(shù)可以很方便地實(shí)現(xiàn)分布式的溫度監(jiān)測，使系統(tǒng)壽命更長久，數(shù)據(jù)傳輸更安全可靠。ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)有3種拓?fù)湫问饺鐖D4所示。

圖4 ZigBee 3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram ofthe ZigBee three network topology

1）星形。整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)以一個(gè)節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)接收來自其余所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并且與其他擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)通信，就像一個(gè)星星由中心向周圍發(fā)散，成本低且功耗少。

2）樹形。同樣地具有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，但數(shù)據(jù)傳送的形式是由上而下，其余的節(jié)點(diǎn)以枝葉的形式鄉(xiāng)下散開進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大。

3）網(wǎng)狀。形狀和傳送形式與樹形的相似，但網(wǎng)狀的數(shù)據(jù)可在枝葉之間相互傳送，連成一個(gè)個(gè)的回路，組成網(wǎng)的形狀，可靠性高。

2.2 溫度采集模塊的設(shè)計(jì)

2.2.1 LPC1114芯片

本系統(tǒng)負(fù)責(zé)溫度采集的節(jié)點(diǎn)采用NXP公司ARM Cortex-M0內(nèi)核的LPC1114微處理器[9]將采集回來的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。作為嵌入式應(yīng)用高性能、低功耗、低成本的32位微處理器，主頻可達(dá)到50 MHz，片內(nèi)集成32KB的Flash，8KB RAM，8道 10ADC，4個(gè)通用定時(shí)器，1個(gè)響應(yīng)快速的IIC接口，共有42個(gè)GPIO引腳[9]。LPC1114具有在內(nèi)核時(shí)鐘停止的情況下仍繼續(xù)正常運(yùn)行的睡眠模式，內(nèi)核掉電情況下可選擇性進(jìn)行掉電或運(yùn)行的深度睡眠模式和處理器停車運(yùn)行的深度掉電模式。

2.2.2 DHT11溫度傳感器

系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字溫度傳感器監(jiān)測溫度變化，作為一款高性價(jià)比的溫度傳感器，內(nèi)部集成一個(gè)高性能8位微型單片機(jī)[10]，與其內(nèi)部的濕敏元件和熱敏電阻接在一起，微型單片機(jī)把接收到的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。DHT11作為一款新型單總線數(shù)字溫度傳感器，工作在3.5～5.5 V，溫度測量范圍在0～50℃，精確度±2℃。DHT11用單線制串行接口，簡化了系統(tǒng)的連接，具有體積小、響應(yīng)快、控制簡單、低功耗、很強(qiáng)的抗干擾能力，信號可傳達(dá)20 m以上等特點(diǎn)[10]。

DTH11通信采用串行的單線雙向通信，數(shù)據(jù)分為整數(shù)和小數(shù)兩部分，每次通信大概經(jīng)歷40 ms左右，DHT11只需要使用5 kΩ上拉電阻在數(shù)據(jù)線長度短于20 m與微處理器進(jìn)行連接，當(dāng)大于20 m時(shí)選擇適合的上拉電阻即可[10]。在微處理器開啟與DHT11通信，DHT11發(fā)生響應(yīng)后切換至高速模式，實(shí)現(xiàn)快速通信；當(dāng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收結(jié)束后DHT11立即切換回低功耗模式。DHT11外表圍著一個(gè)帶格柵的塑料外殼，減少使用時(shí)與外界中有害的化學(xué)物質(zhì)接觸，實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定地工作。

3 上位機(jī)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件使用C#語言進(jìn)行開發(fā)，語言環(huán)境使用Visual Studio 2010，核心控件為serialPort timer chartControl，以串口的形式實(shí)現(xiàn)模塊間的通信。

3.1 DHT11傳感器部分的程序

DTH11溫度傳感器的數(shù)據(jù)正確傳送時(shí)通信的格式為：8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位校驗(yàn)和數(shù)據(jù)，具體程序如下：

3.2 上位機(jī)的測試

在主模塊收集好各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過RS232串口把采集數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上。RS232通信接口電路采用串行通信方式。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)RS232串口轉(zhuǎn)USB串口發(fā)送到電腦端，電腦串口接收數(shù)據(jù)，打開上位機(jī)開始對溫度變化進(jìn)行監(jiān)測。對數(shù)據(jù)的采集在上位機(jī)顯示溫度變化的圖表。測試效果如圖5～6所示。

圖5 上位機(jī)打開后顯示的界面Fig.5 Interface chart of the PC

圖6 上位機(jī)開啟系統(tǒng)接收溫度數(shù)據(jù)圖Fig.6 Interface chart of PC receiving the temperature data

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用低功耗、低成本的CC2530組建的ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)可靠安全的傳輸，而且星型拓?fù)涞墓?jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)能夠?qū)θ我馕恢玫臏囟葦?shù)據(jù)進(jìn)行采集。整個(gè)系統(tǒng)不僅應(yīng)用到低功耗的元器件，減少了設(shè)計(jì)的成本，增加使用的壽命；而且測量的范圍很大，實(shí)時(shí)地對遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)。經(jīng)過各個(gè)模塊之間的友好工作，最終主模塊把采集好的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，在上位機(jī)進(jìn)行顯示和處理，清晰地把數(shù)據(jù)告訴用戶。本系統(tǒng)能夠靈活應(yīng)用于各種需要進(jìn)行溫度監(jiān)測的領(lǐng)域上，移植性高。系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)證后表明還系統(tǒng)能基本實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度數(shù)據(jù)變化的采集，滿足環(huán)境溫度監(jiān)測的需求，成本低，功耗低，復(fù)雜程度較低，能夠容易地實(shí)現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，給溫度采集系統(tǒng)提供了一個(gè)很好模型進(jìn)行參考，能夠給更多人進(jìn)行學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步地對其進(jìn)行優(yōu)化和擴(kuò)展，體現(xiàn)出整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)價(jià)值、實(shí)用價(jià)值和很好的應(yīng)用前景，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為人們的生活帶來更大的方便，提升生活的質(zhì)量。

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