基于ZigBee技術(shù)的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192

一、引言

溫度監(jiān)測系統(tǒng)在生活中有著廣泛地應(yīng)用，比如：溫室大棚的溫度監(jiān)測、工廠車間的溫度報(bào)警裝置等等。在一些特定環(huán)境中，溫度監(jiān)測環(huán)境范圍大，測點(diǎn)距離遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的布線方式很不方便，這時(shí)就要采取無線方法對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。ZigBee協(xié)議作為一種全新的無線傳感技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它以配置快捷、節(jié)點(diǎn)耗電低、雙向傳送數(shù)據(jù)和控制命令等特點(diǎn)在其他無線通信協(xié)議中脫穎而出，成為了眾多廠家的首選協(xié)議。

ZigBee可以在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行監(jiān)測，并將所收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)，以便實(shí)現(xiàn)區(qū)域的監(jiān)測、跟蹤和遙控。大量廉價(jià)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)的組合，并按照一定的通信標(biāo)準(zhǔn)就構(gòu)成了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都具有自己的位置，發(fā)揮一定的作用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是大規(guī)模的、自組織的、多跳的，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中基本上設(shè)備是固定的，它們都彼此在一定的監(jiān)測區(qū)域發(fā)揮著自己應(yīng)有的作用，由于每個(gè)設(shè)備都處在末端，有時(shí)候會(huì)在一些惡劣的環(huán)境中，所以這些節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間要長[1]。

基于ZigBee的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)能夠更便捷、可靠地完成人們的測溫要求，與其它技術(shù)比較來說，具有成本低、工作時(shí)間長的特點(diǎn)，突出的優(yōu)點(diǎn)是非常簡潔，能夠快速應(yīng)用到實(shí)際中。

二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是利用ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線溫度監(jiān)測的目的，那么就需要對(duì)ZigBee系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括無線通信模塊、協(xié)調(diào)器和終端的設(shè)計(jì)，搭建完整的硬件電路，進(jìn)而對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行智能監(jiān)測。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1、無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)

通信芯片選擇的是TI公司的CC2530。CC2530是一種用于2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee/RF4CE的單芯片解決方案，具有射頻性能好、功耗超低、靈敏度高、抗噪聲及干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且成本低廉，只需很少的外置低成本元件即可支持快速、廉價(jià)的ZigBee節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建。CC2530在一般空曠環(huán)境下的最遠(yuǎn)通訊距離為100m左右。

CC2530芯片集成了可編程閃存、MCU和ZigBee RF，其中MCU為8位單周期8051微控制核心，外設(shè)資源包括DMA、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗定時(shí)器、AES-128協(xié)處理器、8～14位ADC、USART、睡眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個(gè)可編程I/O引腳[2]等。

CC2530的功耗很低，其睡眠與工作模式間激活轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短，是超長電池使用壽命應(yīng)用的理想解決方案，在接收和發(fā)射傳輸模式下的電池?fù)p耗分別為27mA和15mA[3]。

另外，TI公司還提供了開源的協(xié)議棧，協(xié)議棧的底層代碼已經(jīng)封裝完畢，只需調(diào)用即可，提高了程序開發(fā)的效率。

CC2530芯片的RF-P 與RF-N管腳是一對(duì)差分輸入輸出信號(hào)。射頻輸入和輸出電路中使用2.4GHz頻段的信號(hào)，使用一個(gè)非平衡天線，連接非平衡變壓器，使天線性能更優(yōu)?；具B接圖見圖2。

2、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵點(diǎn)，主要功能是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的組建，并將接收終端節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)包然后發(fā)送給上位機(jī)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括CC2530核心模塊、串口通信模塊、電源模塊等。

本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器有著很重要的作用，它負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的搭建。協(xié)調(diào)器可以允許終端節(jié)點(diǎn)的加入，另外協(xié)調(diào)器作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袠猩窠?jīng)，將溫度數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給上位機(jī)。電源模塊是最基本的模塊，提供給協(xié)調(diào)器進(jìn)行工作的能量來源。仿真器模塊通過USB與仿真器接口將主機(jī)和CC2530通信模塊相連，主要負(fù)責(zé)將協(xié)調(diào)器的程序下載，可以在線調(diào)試。LED指示電路模塊負(fù)責(zé)指示協(xié)調(diào)器的工作狀態(tài)和運(yùn)行流程，LED閃爍一次表示協(xié)調(diào)器開始工作，連續(xù)閃爍四次表示終端節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)，來判定當(dāng)前協(xié)調(diào)器運(yùn)行狀態(tài)，也可以檢驗(yàn)協(xié)調(diào)器是否正常的工作。

3、終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

終端模塊主要負(fù)責(zé)將采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并打包，并把溫度數(shù)據(jù)包發(fā)送給協(xié)調(diào)器。除此之外還需要判斷協(xié)調(diào)器發(fā)過來的溫度控制命令。終端節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，系統(tǒng)由CC2530無線通信/處理、溫度傳感器、電源、仿真器、LED指示電路等模塊組成。

終端節(jié)點(diǎn)作為溫度數(shù)據(jù)采集的主要節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。終端節(jié)點(diǎn)需要采集溫度，并且需要處理溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)然終端節(jié)點(diǎn)也需要電源來保障其正常工作。終端節(jié)點(diǎn)中有LED指示電路模塊負(fù)責(zé)指示其工作狀態(tài)和運(yùn)行流程，LED閃爍一次表示協(xié)調(diào)器開始工作，連續(xù)閃爍兩次表示未成功加入網(wǎng)絡(luò)，連續(xù)閃爍四次表示成功加入網(wǎng)絡(luò)，以此來判定當(dāng)前協(xié)調(diào)器運(yùn)行狀態(tài)，也可以檢驗(yàn)終端是否正常工作。

溫度傳感器采用DALLAS公司生產(chǎn)的DSl8B20，測溫范圍在-55℃～ +125℃之間，溫度計(jì)的分辨率可以從9位到12位選擇[4]。DSl8B20是1-Wire即單總線器件，具有單線接口、體積小和線路簡單的特點(diǎn)，處理器和DSl8B20僅需一條連接線就可完成數(shù)據(jù)收發(fā)及電源提供（也可以由外部的3.3V電源供電），在一根通信線上可以掛很多的溫度計(jì)，形成多點(diǎn)分布應(yīng)用。

傳感器DS18B20主要引腳包括接地端、輸入/輸出端和電源端，它與CC2530的P1.1口相連，用于溫度數(shù)據(jù)的傳輸，電源接3.3V電源。

4、擴(kuò)展功能模塊設(shè)計(jì)

（1）串行通信接口設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中應(yīng)用到了CH340 USB轉(zhuǎn)接芯片，實(shí)現(xiàn)了USB轉(zhuǎn)串口，在開發(fā)板上焊接了USB模塊方便與PC機(jī)進(jìn)行通信。

串行通信模塊原理圖如圖5所示。CH340芯片中的RTS和DTR引腳分別連接CC2530芯片的TXD（P03）和RXD（P02）。USB模塊的2和3引腳分別接到了CH340的管腳VD-和VD+引腳上。

（2）電源模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的通信芯片具有低功耗的特點(diǎn)，再加上節(jié)點(diǎn)的便捷性，采用電池板進(jìn)行供電，能很好地滿足芯片的要求，且能降低開發(fā)成本。因此本次設(shè)計(jì)使用2節(jié)5號(hào)電池。原理圖如圖6所示。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)按照預(yù)期效果工作，通過對(duì)硬件模塊進(jìn)行程序編寫，來達(dá)到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建，溫度的采集和發(fā)送，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸和顯示。系統(tǒng)的硬件模塊主要有協(xié)調(diào)器、終端兩個(gè)部分，那么軟件設(shè)計(jì)就要按照這兩個(gè)部分進(jìn)行，即協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)、終端軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1、系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境是與CC2530配套的IAR Embedded Workbench IDE，Z-Stack為開發(fā)者提供了大量的程序代碼和API函數(shù)接口，提高了開發(fā)效率。Z-Stack分為以下幾層：AP、HAL、MAC、NWK、OSAL、Security、Service、ZDO[5]。我們主要對(duì) API層進(jìn)行調(diào)用，把已建立好的項(xiàng)目做修改，添加自己的應(yīng)用程序，利用移植的方式來開發(fā)項(xiàng)目。IAR打開工程后，就可以看到整個(gè)協(xié)議棧的分布。主要對(duì)App中的文件進(jìn)行修改來達(dá)到自己預(yù)期的要求，所以說會(huì)降低開發(fā)周期，非常適合工程項(xiàng)目的開發(fā)。

Z-Stack的主函數(shù)在ZMain.c中的主要工作是系統(tǒng)初始化，即由啟動(dòng)代碼來初始化硬件系統(tǒng)和軟件結(jié)構(gòu)需要的各個(gè)模塊，然后開始執(zhí)行操作系統(tǒng)實(shí)體。

2、協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器起著至關(guān)重要的作用，完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組建工作。它作為網(wǎng)絡(luò)的中心，是第一個(gè)要啟動(dòng)的，通過它來建立數(shù)據(jù)通道。通電后，首先要進(jìn)行硬件和軟件架構(gòu)的初始化。完成后，開始掃描信道，選擇一個(gè)合適的信道，并且選一個(gè)PAN_ID，然后通過廣播的方式發(fā)送網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)、信道等[6]。終端節(jié)點(diǎn)的申請(qǐng)入網(wǎng)信號(hào)一旦被協(xié)調(diào)器接收到，終端節(jié)點(diǎn)得以加入網(wǎng)絡(luò)中，并為其分配16位短地址[7]。協(xié)調(diào)器接收到終端傳來的溫度數(shù)據(jù)包，并通過串口傳輸給PC機(jī)。協(xié)調(diào)器不會(huì)進(jìn)入休眠模式，它會(huì)一直保持著工作的狀態(tài)。其工作流程如圖8所示。

3、終端器軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的終端通電后，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，并不斷掃描指定的頻道，向協(xié)調(diào)器發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求，如果沒有成功加入，則再次嘗試加入網(wǎng)絡(luò)。加入網(wǎng)絡(luò)成功后，得到協(xié)調(diào)器分配的網(wǎng)絡(luò)地址，沒有事件處理時(shí)就進(jìn)入休眠狀態(tài)，以降低功耗，延長使用時(shí)間。當(dāng)有事件需要處理時(shí)，喚醒系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)每隔一定的周期采集和讀取周圍環(huán)境的溫度，并把采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給協(xié)調(diào)器，如果發(fā)送成功，節(jié)點(diǎn)將會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)；如果沒有成功，就要不斷的發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到發(fā)送成功。終端設(shè)備通信流程如圖9所示。

4、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中，當(dāng)協(xié)調(diào)器收集到終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理，將溫度數(shù)據(jù)通過串口傳輸給PC機(jī)。本系統(tǒng)不僅要監(jiān)測當(dāng)前環(huán)境的溫度，同時(shí)還要對(duì)當(dāng)前溫度進(jìn)行必要的調(diào)節(jié)，通過上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)定溫度的閾值，當(dāng)溫度低于或者高于設(shè)定的溫度范圍時(shí)，會(huì)提示溫度不在正常范圍內(nèi)，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。這時(shí)應(yīng)用者就可以了解到當(dāng)前溫度的情況，做好調(diào)節(jié)溫度的措施。上位機(jī)軟件系統(tǒng)流程圖如圖10所示。

在VC++的MFC窗體中集成了串口庫，通過插入Microsoft Communication Control控件來完成上位機(jī)的編寫[8]。需要注意的是，COM和波特率一定要設(shè)置正確，否則不能進(jìn)行正常的通信。串口成功打開后，成功接收數(shù)據(jù)，將溫度數(shù)據(jù)包讀到緩沖區(qū)buff之中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)顯示在指定的位置，當(dāng)要關(guān)閉此系統(tǒng)時(shí)，選擇退出，此時(shí)若成功關(guān)閉，整個(gè)窗口就會(huì)關(guān)閉。設(shè)計(jì)的軟件界面圖如圖11所示。

四、系統(tǒng)的調(diào)試和測試

1、網(wǎng)絡(luò)連接測試

在整個(gè)ZigBee系統(tǒng)中建立網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)、離開網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制，主要是在網(wǎng)絡(luò)層完成的。網(wǎng)絡(luò)層利用MAC層進(jìn)行信道掃描、連接和斷開連接功能，形成了比較完善的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。

只有協(xié)調(diào)器具有建立網(wǎng)絡(luò)的能力。建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，要選擇合適的信道和網(wǎng)絡(luò)ID，并且要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址。當(dāng)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)的區(qū)域中有終端節(jié)點(diǎn)加入的時(shí)候，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出指令將其作為父節(jié)點(diǎn)，與其建立網(wǎng)絡(luò)連接。協(xié)調(diào)器需要允許該終端節(jié)點(diǎn)的加入，為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的搭建。

當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先使用信道掃描找出所有可以加入的網(wǎng)絡(luò)，然后選擇其中的一個(gè)設(shè)備作為自己的父節(jié)點(diǎn)，并調(diào)用MAC層連接過程建立父子關(guān)系，加入網(wǎng)絡(luò)。父節(jié)點(diǎn)接收到該節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求后，如果網(wǎng)絡(luò)可以加入設(shè)備，那么將為這個(gè)節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，并且回復(fù)該節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求，就可以知道自己是否成功加入網(wǎng)絡(luò)中。

在本次設(shè)計(jì)中要達(dá)到的預(yù)期效果有：協(xié)調(diào)器在通電啟動(dòng)之后組網(wǎng)過程中LED指示燈會(huì)閃爍4次，表示協(xié)調(diào)器正在組網(wǎng)，閃爍之后就會(huì)一直亮的狀態(tài)說明已經(jīng)組網(wǎng)成功，等待終端節(jié)點(diǎn)的加入；終端節(jié)點(diǎn)通電啟動(dòng)后LED指示燈會(huì)一直閃爍，掃描當(dāng)前環(huán)境中是否有可加入的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)存在網(wǎng)絡(luò)后終端節(jié)點(diǎn)開始申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，加入成功后LED指示燈會(huì)一直處于點(diǎn)亮的狀態(tài)。

測試時(shí)，把協(xié)調(diào)器和終端各自的程序燒進(jìn)開發(fā)板，并且兩個(gè)板子都用電池供電，能達(dá)到預(yù)期的效果，則兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)連接已經(jīng)成功。

2、溫度監(jiān)測功能測試

為測試溫度監(jiān)測系統(tǒng)整體效能，搭建了一個(gè)簡易的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，主要是一個(gè)協(xié)調(diào)器、一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和一臺(tái)PC機(jī)。

首先把上位機(jī)程序運(yùn)行起來，用USB連接線把協(xié)調(diào)器與PC機(jī)連接起來，選擇串口COM3和115200波特率，確保能進(jìn)行正常的通信。然后給各個(gè)節(jié)點(diǎn)供電，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)，發(fā)起網(wǎng)絡(luò)連接；終端節(jié)點(diǎn)自動(dòng)掃描當(dāng)前環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)并加入網(wǎng)絡(luò)。各節(jié)點(diǎn)的指示燈均閃爍，表示工作處于正常狀態(tài)。終端節(jié)點(diǎn)采集到溫度數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器把接收到的數(shù)據(jù)包做一定的處理，將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)顯示界面。這時(shí)將判斷當(dāng)前溫度是否處于設(shè)計(jì)的溫度范圍內(nèi)，把上限閾值設(shè)為30.0℃，下限閾值設(shè)為20.0℃，測得的當(dāng)前溫度為28.8℃，如果當(dāng)前溫度是正常的將會(huì)提示溫度正常；把上限閾值設(shè)為25.0℃，下限閾值設(shè)為20.0℃，測得的當(dāng)前溫度值為30.5℃，很明顯當(dāng)前溫度不在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，將會(huì)進(jìn)行溫度預(yù)警，并提示做好調(diào)節(jié)溫度的措施。測試界面如圖12所示。

五、結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要利用ZigBee技術(shù)，結(jié)合溫度傳感器，組成了一套無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過對(duì)Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行編程，更好地了解底層的編碼環(huán)境，對(duì)ZigBee技術(shù)的使用更加深入。無線溫度監(jiān)測較傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測有了進(jìn)一步的升級(jí)，適用的環(huán)境也多種多樣，尤其是在現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣、場所比較復(fù)雜或是需要監(jiān)測多點(diǎn)數(shù)據(jù)的時(shí)候更能發(fā)揮無線技術(shù)的優(yōu)勢。但是該系統(tǒng)比較簡單，針對(duì)此問題，需要接下來更深一步進(jìn)行研究。