基于ZigBee的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈慧鈞

摘 要：為解決有線式溫度采集系統(tǒng)布線不便，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)，使用DS18B20溫度傳感器采集環(huán)境溫度，利用CC2530片上系統(tǒng)芯片進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度采集，選用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器模塊通過(guò)RF收發(fā)器接收各終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)可顯示在LCD液晶屏上，同時(shí)利用USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理及保存。該溫度采集系統(tǒng)具有成本低、工作穩(wěn)定、節(jié)點(diǎn)易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線溫度采集；ZigBee；CC2530；DS18B20

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.31.093

1 前言

工農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)，傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)方式多采用有線傳輸方式，使用溫度傳感器采集環(huán)境溫度并將溫度值傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將溫度值通過(guò)總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，采用的總線有485總線、Can總線、以太網(wǎng)總線等，有線傳輸方式具有傳輸速度快、傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)對(duì)于監(jiān)控范圍廣、監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量多等復(fù)雜環(huán)境情況，有線傳輸方式布線困難、成本高。隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，溫度采集傳輸趨向于無(wú)線傳輸方式，無(wú)線傳輸方式具有使用靈活、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此無(wú)線溫度采集系統(tǒng)將會(huì)有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)，采用CC2530片上系統(tǒng)芯片作為系統(tǒng)控制器，選用DS18B20溫度傳感器采集環(huán)境溫度，利用CC2530芯片內(nèi)部的RF收發(fā)器將溫度值無(wú)線傳輸，為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度采集，選用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。協(xié)調(diào)器模塊通過(guò)RF收發(fā)器接收各終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)可顯示在LCD1602液晶屏上，同時(shí)利用RS232串口模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理及保存。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)包括溫度采集終端和協(xié)調(diào)器接收系統(tǒng)，采用ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。溫度采集終端由溫度傳感器芯片、CC2530片上系統(tǒng)芯片、時(shí)鐘芯片以及天線組成，該模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。協(xié)調(diào)器接收系統(tǒng)由CC2530片上系統(tǒng)芯片、接收天線、LCD液晶顯示屏和FT232接口轉(zhuǎn)換芯片組成，該模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 溫度采集終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫度采集終端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度采集，溫度傳感器采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺C2530芯片，CC2530片內(nèi)單片機(jī)將接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成溫度數(shù)值，同時(shí)讀取時(shí)鐘芯片寄存器獲取當(dāng)前時(shí)間值，溫度值和時(shí)間值通過(guò)CC2530片內(nèi)RF模塊進(jìn)行無(wú)線發(fā)射。

2.1.1 溫度采集模塊

溫度傳感器選用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20芯片，該芯片溫度測(cè)量范圍廣，測(cè)量精度高，可實(shí)現(xiàn)-55℃～+125℃范圍內(nèi)的溫度采集，且其接口簡(jiǎn)單，使用一根數(shù)據(jù)線即可完成溫度值的傳輸。

2.1.2 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘芯片選用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS1302芯片，該芯片為低功耗時(shí)鐘芯片，晶振頻率為32.768kHz，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分、秒的計(jì)時(shí)，還可實(shí)現(xiàn)閏年補(bǔ)償。DS1302時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳輸使用SPI模式。

2.1.3 CC2530模塊

CC2530是為實(shí)現(xiàn)ZigBee應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的片上系統(tǒng)芯片，內(nèi)部集成了8051控制器、高效2.4GHz的RF無(wú)線收發(fā)器、片內(nèi)RAM和其他功能外設(shè)。該芯片結(jié)合了基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，可提供完整的ZigBee解決方案。

ZigBee設(shè)備類型分為終端設(shè)備（End-device）、路由器（Router）和協(xié)調(diào)器（Coordinator），溫度采集終端系統(tǒng)初始化設(shè)置為終端設(shè)備，系統(tǒng)上電后搜索網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，發(fā)出請(qǐng)求信息，連接成功后，該模塊將接收到一個(gè)16位的從節(jié)點(diǎn)地址，采用CSMA-CA機(jī)制獲得信道使用權(quán)，獲得使用權(quán)后，即可向協(xié)調(diào)器接收系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2 協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組建，CC2530內(nèi)部的RF模塊接收各溫度采集終端發(fā)送的溫度及時(shí)間數(shù)值，并傳輸?shù)紺C2530內(nèi)部單片機(jī)，單片機(jī)模塊將接收到的溫度、時(shí)間信息一路發(fā)送到LCD液晶顯示屏模塊實(shí)時(shí)顯示，一路通過(guò)FT232模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及存儲(chǔ)。

2.2.1 CC2530模塊

利用CC2530首先組建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，該模塊被初始化為協(xié)調(diào)器。其內(nèi)部的RF無(wú)線收發(fā)器接收各溫度采集終端發(fā)送的溫度及時(shí)間值，利用片內(nèi)單片機(jī)將無(wú)線接收數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶顯示屏進(jìn)行顯示，同時(shí)將無(wú)線接收數(shù)據(jù)通過(guò)FT232模塊以USB接口模式發(fā)送到上位機(jī)。

2.2.2 LCD液晶顯示模塊

LCD液晶顯示屏上顯示各溫度采集終端采集的溫度值及時(shí)間信息，為降低系統(tǒng)成本，選用LCD1602液晶顯示屏，該顯示屏可顯示兩行數(shù)據(jù)，每行包含16個(gè)字符，各溫度采集終端采集發(fā)送的數(shù)據(jù)輪流在液晶屏上顯示。

2.2.3 FT232串行通信模塊

FT232芯片為USB到UART串行接口轉(zhuǎn)換芯片，由于目前多數(shù)筆記本電腦沒(méi)有RS232接口，使用該芯片CC2530內(nèi)部單片機(jī)可通過(guò)USB接口與PC機(jī)通信。CC2530內(nèi)部包含2組串行通信接口，可選用任一組與上位機(jī)通信，配置UxGCR寄存器設(shè)置串行通信傳輸速率，本系統(tǒng)中設(shè)置波特率為9600bps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位。編寫上位機(jī)軟件，可對(duì)接收到的各溫度采集終端發(fā)送的溫度值進(jìn)行分析、保存。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫度采集終端系統(tǒng)上電后，首先完成對(duì)DS18B20、DS1302的初始化，并將該節(jié)點(diǎn)初始化為終端設(shè)備，然后連接調(diào)節(jié)器，網(wǎng)絡(luò)連接成功后，讀取溫度值和時(shí)間值，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，該系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)上電后，首先完成對(duì)LCD1602和UART串行通信的初始化，將該節(jié)點(diǎn)初始化為協(xié)調(diào)器，然后建立網(wǎng)絡(luò)，并將溫度采集終端加入網(wǎng)絡(luò)，接收溫度采集終端發(fā)送的溫度和時(shí)間值，將接收數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD1602液晶顯示屏，并通過(guò)UART串行輸出至上位機(jī)。協(xié)調(diào)器接收系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)，選用CC2530芯片設(shè)計(jì)溫度采集終端和協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，建立無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，完成了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠，功耗低，節(jié)點(diǎn)易于擴(kuò)展，且硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境下的溫度采集，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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