基于ZigBee和C#的多點無線溫度采集系統(tǒng)的研究與設計

陳子楊+劉艷艷+李媛媛

摘 要：不管是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事及氣象領域，還是人類生活的環(huán)境，都需要對溫度和濕度進行測量和控制。因而，研制可靠且實用的溫濕度測量裝置顯得非常重要。尤其是要實現(xiàn)大環(huán)境中的溫濕度測量和自動控制，采用有線網(wǎng)絡的方案難以實現(xiàn)。本文提出采用基于ZigBee技術的無線溫濕度測量與傳輸?shù)姆桨?，在上位機中采用C#構成多點無線溫濕度采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和分析。該系統(tǒng)具有快速展開、穩(wěn)定可靠、可維護性好等特點。

關鍵詞：溫度采集；ZigBee；C#；多點通信

1、系統(tǒng)的整體概述

該系統(tǒng)通過具有單總線總線接口的溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)對溫度的采集，將信號送至ZigBee無線節(jié)點，采用ZigBee技術的星型網(wǎng)絡拓撲結構，建立了一個主節(jié)點，多個從節(jié)點的無線網(wǎng)絡，從節(jié)點采集溫濕度數(shù)據(jù)每隔一定的時間輪流向主節(jié)點發(fā)送，主節(jié)點收到數(shù)據(jù)之后通過串口將各節(jié)點的溫濕度數(shù)據(jù)傳給上位機監(jiān)控界面。本文選用C#作為開發(fā)語言，進行上位機的設計。

2、硬件系統(tǒng)設計

2.1、DS18B20 溫度傳感器

DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域【1】。

2.2、CC2530主控芯片

CC2530是一顆真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4GHzISM波段應用，及對低成本，低功耗的要求【2】。它結合一個高性能2.4GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。

CC2530包括了1個高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核心和1個8051控制器，它具有32/64/128 kB可選擇的編程閃存和8kB的RAM，還包括ADC、定時器、睡眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路和21個可編程I/O引腳，這樣很容易實現(xiàn)通信模塊的小型化。CC2530是一款功耗相當?shù)偷膯纹瑱C，功耗模式3下電流消耗僅0.2μA，在32 k晶體時鐘下運行，電流消耗小于1μA【3】。

3、軟件系統(tǒng)設計

整個軟件系統(tǒng)可分為上位機軟件和下位機軟件。上位機相當于一個軟件系統(tǒng)，可以用于接收數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)。即可以對接收到的數(shù)據(jù)直接發(fā)送操控命令來操作數(shù)據(jù)。上位機可以接收下位機的信號。下位機是一個控制器，是直接控制設備獲取設備狀況的計算機。上位機發(fā)出的命令首先給下位機，下位機再根據(jù)此命令解釋成相應時序信號直接控制相應設備。下位機不時讀取設備狀態(tài)數(shù)據(jù)（一般為模擬量），轉換成數(shù)字信號反饋給上位機。上位機不可以單獨使用，而下位機可以單獨使用【4】。

3.1 下位機軟件設計

ZigBee除IEEE802.15.4所包含的2層外，網(wǎng)絡層和應用層需要由軟件來實現(xiàn)。IC的供應商以庫文件的形式向用戶提供完整ZigBee協(xié)議棧，用戶僅僅完成應用程序的設計便可。應用程序包括各部分功能模塊的初始化，中斷處理和讀寫DSl8820的溫度檢測程序。其中初始化程序包括系統(tǒng)主時鐘源設置、ADC初始化、串口（UART）初始化、時鐘模式初始化、AES（Advanced Encryption Standard）初始化、RF初始化、中斷初始化和DSl8820初始化等。由于文章篇幅限制，這里給出主程序的流程圖，如圖2所示。

3.2 上位機系統(tǒng)設計

上位機的功能主要為串口通信。串口是按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗。對于兩個進行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配：

a，波特率：這是一個衡量符號傳輸速率的參數(shù)。

b，數(shù)據(jù)位：這是衡量通信中實際數(shù)據(jù)位的參數(shù)。

c，停止位：用于表示單個包的最后一位。典型的值為1，1.5和2位。

d，奇偶校驗位：在串口通信中一種簡單的檢錯方式。

在進行PC機和無線采集模塊串行通信前，首先要配置好串口，即串口初始化，使計算機串口的上述參數(shù)設置與無線收發(fā)模塊的串口參數(shù)保持一致，這樣才能夠正確的通信。在開發(fā)過程中，主要用到SerialPort的類。

4、結語

在本次項目中，采用DS18B20對溫度度的采集，實現(xiàn)了一種傳輸途徑基于ZigBee星型網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理平臺基于C#的多點無線溫濕度采集系統(tǒng)，并在C#平臺上進行顯示。通過實驗調(diào)試，該采集系統(tǒng)達到了設計要求，效果良好。最后要感謝西北民族大學電氣工程學院能給我這么一次學習的機會，感謝我的楊雪松老師和張興莉老師在項目執(zhí)行過程中對我的幫助。

參考文獻：

【1】邴春秋，鄭萍. 基于ZigBee的遠程無線I/O模塊設計及應用. 西華大學，2008.

【2】倪康，徐曉光，崔晶. 基于C#和Zigbee的大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 洛陽師范學院學報，2015，（02）：41-44.

【3】周怡颋，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無線通信技術及其應用探討.自動化儀表，2005，26（6）.

【4】李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡技術入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007：5-10，20-23.

作者簡介：

陳子楊，男（漢族），湖北黃石人，西北民族大學電氣工程學院本科在讀生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程、嵌入式。