基于ZigBee和VC6.0的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)

王玉菡，曾自強(qiáng)，陳鴻雁，徐　霞

(1.重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶　400054；2.川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司，重慶　400021)

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基于ZigBee和VC6.0的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)

王玉菡1，曾自強(qiáng)2，陳鴻雁1，徐霞1

(1.重慶理工大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶400054；2.川慶鉆探工程有限公司測(cè)井公司，重慶400021)

摘要：為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,滿足低功耗等特殊要求，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和VC6.0的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)下位機(jī)以CC2530為核心，負(fù)責(zé)采集發(fā)送溫度數(shù)據(jù)；上位機(jī)采用VC6.0編程，實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。

關(guān)鍵詞：ZigBee;VC6.0;溫度;CC2530

在實(shí)際應(yīng)用中，常常需要對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的基本狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，如溫度監(jiān)測(cè)。隨著無(wú)線通訊技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)物理狀態(tài)的短距離無(wú)線監(jiān)控變得越來(lái)越頻繁，而且要求無(wú)線傳感器作為終端節(jié)點(diǎn)能夠長(zhǎng)時(shí)間工作且價(jià)格低廉。ZigBee技術(shù)可以滿足這些要求，其特點(diǎn)是低功耗、低成本[1-15]。筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)下位機(jī)的硬件采用CC2530芯片作為溫度采集和無(wú)線收發(fā)的核心；軟件采用由ZigBee協(xié)議棧里的溫度采集實(shí)例SensorDemo改寫(xiě)而來(lái)的程序，以發(fā)送溫度傳感器LM35AH采集的數(shù)據(jù)；上位機(jī)的軟件采用VC6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用GigaSoft公司的ProEssentials DLL來(lái)繪制溫度實(shí)時(shí)曲線圖。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)有3種身份：協(xié)調(diào)器、路由器和終端。協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制者，主要負(fù)責(zé)建立新網(wǎng)絡(luò)、初始化網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)等，且1個(gè)網(wǎng)絡(luò)之中只能有1個(gè)協(xié)調(diào)器；路由器用于多路路由，自身也可作為終端，路由器之間可以相互傳送信息；終端作為終點(diǎn)，只負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)向路由傳送。

ZigBee有3種不同的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)類(lèi)型：星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀[16]。星形網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，所有消息都經(jīng)它傳輸。樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)頂端節(jié)點(diǎn)，下面有“枝”有“葉”，消息先上行再下傳。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)相似，但某些“枝”和“葉”可直接鏈接。本研究采用星型網(wǎng)絡(luò)，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示：3個(gè)終端分別采集各自的溫度，隨后將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器經(jīng)USB接口將數(shù)據(jù)傳送給PC，最后實(shí)現(xiàn)PC顯示和保存數(shù)據(jù)[17]。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

2.1CC2530簡(jiǎn)介

CC2530 是用于 IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE的一種片上系統(tǒng)(SoC)解決方案[18]，具有以下特點(diǎn)：① 低功耗，具有多種運(yùn)行模式，且不同模式之間的相互轉(zhuǎn)換時(shí)間很短；② 功能強(qiáng)大，集8051可編程單片機(jī)、ADC、無(wú)線通訊模塊和閃存于一體，外圍電路少；③ 應(yīng)用廣，適用于短距離、低傳輸率、低功耗的場(chǎng)所，諸如智能家居、汽車(chē)等。

2.2協(xié)調(diào)器串口轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)建成并初始化后，終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將采集到的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后再通過(guò)串口送往計(jì)算機(jī)。協(xié)調(diào)器和計(jì)算機(jī)之間通過(guò)串口USB轉(zhuǎn)換芯片CH340建立通訊。CH340是一個(gè)USB總線的轉(zhuǎn)接芯片，能實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口、USB轉(zhuǎn)IrDA紅外等功能。轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

圖2　CH340轉(zhuǎn)換電路

2.3終端節(jié)點(diǎn)溫度采集電路設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)采集，并把采集到的溫度數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送給協(xié)調(diào)器。由于CC2530自身內(nèi)部集成的溫度傳感器采集的溫度精度不高且為非線性，所以必須外接一個(gè)溫度傳感器。本研究采用LM35AH。

LM35AH是NS公司生產(chǎn)的集成電路溫度傳感器系列產(chǎn)品之一[19]，它把溫度傳感器和放大電路集成在一起，具有以下特點(diǎn)：① 具有較高的工作精度和較寬的線性工作范圍；② LM35AH的輸出電壓與攝氏溫度成線性比例；③ 使用時(shí)無(wú)需外圍元件，無(wú)需外部校正，工作精度高，在室溫下可以提供(±0.25)℃的精度；④ 電壓輸入范圍寬(4～20 V)，有2種電源模式(正負(fù)雙電源和單電源)，正負(fù)雙電源模式可測(cè)量負(fù)溫度。本研究無(wú)需測(cè)量負(fù)溫度，所以采用單電源供電模式。LM35AH原理如圖3所示。LM35AH輸出電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器后進(jìn)入一個(gè)A/D器件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，之后經(jīng)鎖存器與CC2530相連。

圖3　LM35AH原理

3下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用IAR for8051，協(xié)議棧為ZStack-CC2530-2.5.1a，軟件程序由TI自帶的測(cè)溫實(shí)例程序SensorDemo改寫(xiě)而成。協(xié)調(diào)器和終端的流程如圖4、5所示。終端負(fù)責(zé)采集溫度，當(dāng)收到協(xié)調(diào)器查詢(xún)命令時(shí)，采集并無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過(guò)USB傳給PC[19-21]。

圖4　協(xié)調(diào)器流程

圖5　終端流程

4上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用VC6.0作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。采用第三方通訊類(lèi)CSerialPort來(lái)讀寫(xiě)串口，然后使用GigaSoft公司的ProEssentials DLL來(lái)繪制溫度實(shí)時(shí)曲線圖，最后使用ADO技術(shù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。圖6是上位機(jī)軟件功能框圖。

圖6　上位機(jī)軟件功能框圖

ProEssentials是Gigasoft公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)功能十分強(qiáng)大的工控圖表[22]。它可以很輕松地繪制出二維和三維曲線，也可以繪制出如餅狀圖和柱狀圖等的其他圖表，還可以實(shí)現(xiàn)用鼠標(biāo)拖動(dòng)圖形進(jìn)行旋轉(zhuǎn)等功能。ProEssentials的使用也很方便，只需將PEGRP32C.DLL拷貝到System32目錄下，再在“工程設(shè)置”的Link中添加PEGRP32C.lib，最后在“工程”里添加頭文件Pegrpapi.h即可。圖7是溫度實(shí)時(shí)曲線顯示界面。值得注意的是：如果使用時(shí)間驅(qū)動(dòng)ProEssentials繪制曲線，時(shí)間設(shè)置不能低于1 s，否則繪制出的曲線將不正確，所以ProEssentials適用于低采樣率曲線的繪制。

圖7　溫度采集軟件界面

5結(jié)束語(yǔ)

利用ZigBee的低功耗特性設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和VC6.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)，介紹了數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送、顯示過(guò)程。實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,運(yùn)行性能穩(wěn)定，效果良好。

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(責(zé)任編輯楊黎麗)

Design of Wireless Temperature Acquisition System Based on ZigBee and VC6.0

WANG Yu-han1，ZENG Zi-qiang2，CHEN Hong-yan1，XU Xia1

(1.College of Electronic Engineering and Automation, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China; 2.Well Logging Company,Chuanqing Drilling Engineering Company Limited, Chongqing 400021, China)

Abstract:In order to adapt the site environment and meet some special requirements such as the low power consumption, a wireless temperature acquisition system based on ZigBee and VC6.0 was designed. The CC2530, which can collect and send temperature data, was taken as the center of the control computer. The software of the host PC was programmed by VC6.0, which can achieve real-time data display and storage temperature.

Key words：ZigBee; VC6.0; temperature; CC2530

收稿日期：2016-01-09

基金項(xiàng)目：重慶市教委科技項(xiàng)目(KJ1500935 );重慶理工大學(xué)青年科研項(xiàng)目星火支持計(jì)劃(2014XH10，2014XH12)

作者簡(jiǎn)介：王玉菡(1981—)，女，河北冀州人，碩士，主要從事智能儀器研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.019

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2016)05-0108-04

引用格式：王玉菡，曾自強(qiáng)，陳鴻雁，等.基于ZigBee和VC6.0的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(5):108-111.

Citation format：WANG Yu-han，ZENG Zi-qiang，CHEN Hong-yan,et al.Design of Wireless Temperature Acquisition System Based on ZigBee and VC6.0[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):108-111.