基于ZigBee无线温度监测系统设计方案.docVIP

基于 ZigBee 的无线温度监测系统设计方案 传统的温度监测系统大多采用人工测量或在测量点与监控室之间铺设电缆的有线方式，不仅耗费人力，而且具有布线不易、维护困难等缺点，对于监测范围广或环境恶劣的地方往往显得无能为力。无线传感器网络( Wireless Sensor Network，WSN) 作为一种新兴的信息获取和处理技术，由部署在监测区域内大量传感器组成，通过无线通信方式形成一个多跳自组织的网络系统，可实时监测、感知和采集网络覆盖区域内的各种环境或监测对象的信息，并将其发送至终端用户。其具有抗毁性强、监测精度高、覆盖区域大等特点，通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，在军事应用、远程监控、环境监测、智能家庭网络、抢险救灾等领域有着广阔的应用前景和发展潜力。 托普物联网因为ZigBee 技术以低功耗、低成本为目标为无线传感器网络提供了新的解决方案。故托普物联网采用了支持 ZigBee 技术的CC2430 模块来实现无线传感器网络，CC2430 内部集成了 51单片机，线路简单，使用方便，但对于大批量数据的存储和处理能力相对不足。 本文设计了一种基于 ZigBee 的远程无线温度监测系统。系统采用 DS18B20 采集温度信息，然后通过由 CC2420 和ATMEGA16 位单片机组成的模块实现无线传输，并将信息通过串口通信 RS232 传送给数据处理与发布服务器进行相关的数据处理和信息发布，从而有效地实现在互联网的任何位置对温度的实时监控。 1 系统架构 ZigBee 是一种新兴的近距离、低功耗、低速率、低成本的无线传感器网络技术，工作于全球统一无需申请的频段2.4GHz，其协议是依据 IEEE 802.15.4 技术的物理层和数据链路层的标准，并对其进行了完善和扩展而制定的。ZigBee 支持3种拓扑结构: 星型网、树型网和网状网，每种网络都有各自的优点，实际可根据应用来选择。 整个远程无线温度测量系统包括温测终端、网络协调器、数据处理与发布服务器以及用户终端。温测终端实时采集和发送各监测点的温度，与网络协调器构成 ZigBee 无线星型网络，由网络协调器实现数据的协调和接收，并与数据处理与发布服务器进行串口通信，普通用户终端可以通过 HTTP 协议在互联网的任何位置监控温测终端的温度，系统结构如图 1所示。 图 1 系统结构 2 硬件设计 温测终端由温度传感器、无线通信、微处理器模块等构成，用于对待测点的温度进行采集，并通过无线通信网络将信息发送至网络协调器。网络协调器是由微处理器和无线通信模块组成，主要用于负责接收和控制各节点的温度信息，并通过串口通信 RS232 将其传送至服务器上进行显示和处理。硬件结构如图 2 和 3 所示。根据实际应用的需要，还可在终端节点上安装显示模块或报警模块，以方便网络安装测试，有利于监测点附近人员进行实地测量或提供安全保障。 图 2 终端节点硬件结构 图 3 网络协调器硬件结构 2.1 数据采集模块 数据采集选用温度传感器 DS18B20，其采用了单总线结构，读出或写入信息仅需一根端口线，可直接将温度转化成串行数字信号进行处理，无需模数转换，微处理器可直接读取温度数据进行处理。测量范围 －55 ℃ ～125 ℃，可编程为9～12 位A/D转换精度，对应的可辨温度分别为0.5℃ 、0.25℃ 、0.125℃ 和0.0625℃，可用数据线供电，电压范围为3.0～5.5V，12位分辨率时最多在750ms内把温度转换为数字。因其具微型化、低功耗、精度高、响应时间短、抗干扰能力强等特点，非常适合温度检测。 2.2 ZigBee 无线通信模块 该模块采用TI公司生产的 CC2420,支持 IEEE802.15.4协议，工作在全球免费开放的2.4 GHz频带，有效数据传输速率为 250 Kbps。芯片功耗低，具有超低电流消耗: 接收 19.7mA，发射 17.4 mA，内部集成有VCO以及电源整流器，采用低电压供电(2.1～3.6V)，若使用外部电压调节器时供电电压为1.6 ～2.0V;可编程输出功率; 芯片提供了SPI接口与微处理器连接，可完成数据的设置和收发，抗邻频带干扰能力强。 2.3 微处理器模块 微处理器选用ATMEGA系列的16L型单片机，该芯片是高性能、低功耗的 8 位 AVR RISC 结构微处理器，具有较高的处理速度，内部设有 SPI 接口，两个串行通信口，可在 3.3 V电压下进行低功耗工作，易与选用的无线模块 CC2420 配合使用。该处理器在 3 V，1 MHz，2 5℃时正常功耗为1.1 mA，空闲模式0.35 mA，掉电模式＜1 霢。CC2420通过简单的四线( SI、SO、SCLK、CSn) 与