基于ZigBee的家用水暖設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

殷雪朦 張莉 周剛

摘 要：為解決家用水暖設(shè)備溫度難以監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，文章介紹了一種溫度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)采用ZigBee通信方式，硬件部分設(shè)計(jì)出以STC89C51單片機(jī)為核心利用溫度傳感器采集溫度并利用ZigBee實(shí)現(xiàn)的單節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn)通信，利用實(shí)驗(yàn)對(duì)比藍(lán)牙和WLAN通信方式具有一定的優(yōu)勢(shì)，為鍋爐溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了一種解決方案。

關(guān)鍵詞：無(wú)線監(jiān)測(cè)；溫度監(jiān)測(cè)；WLAN通信；ZigBee通信

1 基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)的溫度采集概述

傳統(tǒng)的水暖設(shè)備，需要用戶自己根據(jù)自身感受估算溫度狀況，這大大增加了用戶使用的難度。本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)水暖設(shè)備冬天供暖狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)在出水位置和各個(gè)區(qū)域安裝基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)的溫度采集節(jié)點(diǎn)來(lái)測(cè)量溫度，并以無(wú)線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到上位機(jī)。通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)，改變了采用人工尋訪估算供熱情況的粗放式供熱方式，方便用戶及時(shí)準(zhǔn)確地了解供熱狀況并對(duì)水暖設(shè)備做出調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

2 無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

不同于一些文獻(xiàn)采用有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[1]，本文的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由溫度采集傳感器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)上位機(jī)組成，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，具體方案如圖1所示。

系統(tǒng)方案是構(gòu)建一個(gè)溫度采集無(wú)線傳輸系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)主要由4部分組成：傳感器模塊、單片機(jī)模塊、無(wú)線通信模塊以及能量供應(yīng)模塊。同時(shí)的監(jiān)控傳感器節(jié)點(diǎn)主要由顯示模塊、單片機(jī)模塊、無(wú)線通信模塊以及能量供應(yīng)模塊組成[2]。

在實(shí)際工作中由溫度采集傳感器節(jié)點(diǎn)采集出水溫度，并由傳感器節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過(guò)ZigBee無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示給客戶。

采集端采集數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)顯示模塊將采集的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。然后通過(guò)無(wú)線通信模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，接收端的無(wú)線接收模塊自動(dòng)識(shí)別并接受發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)串口顯示在液晶顯示屏上。也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)接收端模塊同時(shí)識(shí)別發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并在接收端同時(shí)顯示接收到的數(shù)據(jù)。通過(guò)串口通信的方式將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o(wú)線通信模塊中。

3 無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件電路以單片機(jī)為主，并由無(wú)線傳輸模塊，溫度采集模塊，液晶顯示模塊組成。完成溫度采集、液晶顯示、單節(jié)點(diǎn)、多節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸?shù)墓δ堋Ｔ撓到y(tǒng)溫度采集器件選擇DS18B20溫度傳感器，液晶顯示器件選擇LCD1602模塊，無(wú)線傳輸器件選擇ZigBee通信模塊以及選擇了STC89C51作為單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)讀取溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)液晶顯示器將采集到的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，同時(shí)通過(guò)串口通信的方式將采集到的數(shù)據(jù)傳送給ZigBee芯片，完成溫度采集傳輸?shù)墓δ躘3]。

基于溫度采集的多節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信系統(tǒng)的軟件部分主要用于連接檢測(cè)采集節(jié)點(diǎn)的溫度值及存儲(chǔ)處理顯示轉(zhuǎn)發(fā)采集的溫度數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)方法是先用DS18B20溫度傳感器采集并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)LCD1602液晶顯示模塊顯示出數(shù)據(jù)并通過(guò)串口通行的方式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee芯片，ZigBee芯片通過(guò)軟件配置為實(shí)時(shí)傳輸模式，方便對(duì)數(shù)據(jù)的獲取、分析，并可以調(diào)整ZigBee傳輸?shù)哪Ｊ?，將?shí)時(shí)傳輸改成更加省電的定時(shí)傳輸。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證我們的方案適合在一般城市家用場(chǎng)景中使用，我們進(jìn)行了兩種實(shí)驗(yàn)分析。（1）我們分析了單節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn)的通信方案。單節(jié)點(diǎn)方案適用于單個(gè)家庭溫度監(jiān)測(cè)，而多節(jié)點(diǎn)方案適合與多個(gè)家庭分布在多個(gè)樓層中共用溫度監(jiān)測(cè)。（2）對(duì)比藍(lán)牙和WLAN兩種方案，可以看出ZigBee技術(shù)在溫度監(jiān)測(cè)場(chǎng)景下的優(yōu)勢(shì)。

4.1 單節(jié)點(diǎn)和多節(jié)點(diǎn)通信方案實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)采用XCUT調(diào)試軟件對(duì)ZigBee無(wú)線模塊通信配置，可實(shí)現(xiàn)基本通信基本參數(shù)、工作模式以及單點(diǎn)和多點(diǎn)通信配置等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信方案，收集到的溫度為人的手指溫度，手指在觸摸DS18B20的時(shí)候會(huì)使采集的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，即在顯示模塊上顯示變化著的數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信方案，收集到的溫度為實(shí)驗(yàn)室室溫，即在不同地方的多塊無(wú)線接收模塊接收并顯示相同的數(shù)據(jù)。在做測(cè)距實(shí)驗(yàn)以及無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)，測(cè)得實(shí)時(shí)傳輸?shù)木嚯x是整個(gè)房間都可以，隔著墻壁也能很好地傳輸，實(shí)驗(yàn)測(cè)的距離大概50 m，可以保證高質(zhì)量的傳輸。

多節(jié)點(diǎn)通信使用了3組無(wú)線通信模塊，一組無(wú)線模塊使用溫度采集模塊，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee模塊，并將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。剩下的兩組無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收，接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)通過(guò)處理將數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示器件上，并且兩組顯示出來(lái)的數(shù)據(jù)相同，并且實(shí)現(xiàn)了采集端和多跳實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)可以保持實(shí)時(shí)同傳，即達(dá)到ZigBee實(shí)現(xiàn)的多節(jié)點(diǎn)通信。

4.2 無(wú)線通信技術(shù)對(duì)比分析

藍(lán)牙、WLAN和ZigBee是最常見(jiàn)的3種無(wú)線通信技術(shù)。其中，藍(lán)牙是標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信協(xié)議，藍(lán)牙通信的特點(diǎn)是低功耗但是傳輸距離較近，它可以基于低成本的收發(fā)器芯片完成在短距離的固定設(shè)備以及移動(dòng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。藍(lán)牙使用的波段為2 400～2 483.5 MHz。把允許支持WLAN功能的電子設(shè)備接入到一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)的技術(shù)叫作WLAN。WLAN技術(shù)中想要連接到無(wú)線局域網(wǎng)大多數(shù)是需要輸入密鑰的；但是無(wú)線局域網(wǎng)也可以設(shè)置成開(kāi)放的，即容許一切WLAN范圍內(nèi)的設(shè)備連接到局域網(wǎng)[4]。ZigBee是一種無(wú)線連接，可在2.4 GHz（全球通用）、868 MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國(guó)流行）3個(gè)頻段上工作，分別具有最高250 kbit/s，20 kbit/s和40 kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10～75 m的范圍內(nèi)，但可以通過(guò)增大功率繼續(xù)增加。

通過(guò)對(duì)比以上藍(lán)牙，WLAN和ZigBee 3種方案的情況，發(fā)現(xiàn)本文采用的ZigBee方法比藍(lán)牙傳輸距離遠(yuǎn)，與WLAN效果類似，但是由于設(shè)計(jì)需要的數(shù)據(jù)新速率不高，所以ZigBee在使用時(shí)更加節(jié)能省電，并且ZigBee通信方式具有成本低、時(shí)延短、低功耗等特點(diǎn)，特別在針對(duì)數(shù)據(jù)量不大的情況下很實(shí)用，適合本文研究的家用水暖設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)

水暖設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要完成溫度的采集和多節(jié)點(diǎn)無(wú)線傳輸，采用以STM89C52單片機(jī)為核心器件，溫度采集器件選用DS18B20溫度傳感器，顯示器件使用LCD1602顯示采集到的溫度數(shù)據(jù)，并通過(guò)單片機(jī)與ZIGBEE S2芯片通過(guò)串口通信方式將溫度數(shù)據(jù)傳輸給芯片，芯片通過(guò)無(wú)線傳輸方式將溫度數(shù)據(jù)傳給接收端端口。為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，在發(fā)送端和接收端分別安裝上液晶顯示器件，可以更為方便地查看到兩端的數(shù)據(jù)變化情況，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

整個(gè)溫度檢測(cè)方案，無(wú)論是在單個(gè)家庭使用還是在多個(gè)家庭共用的場(chǎng)景下，都可以自由地配網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)對(duì)比藍(lán)牙和WLAN兩種其他方案，此方案具有更加節(jié)能省電、傳輸距離更遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)。

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