ZigBee的多点温度采集系统设计与实现.docVIP

摘要:针对广阔空间环境温度采集系统对功耗及成本的要求,设计了基于无线传感网络技术的多点温度采集系统．以CC2430 为主控芯片,选用DS18B20 作为温度采集节点的传感器,基于ZigBee 协议栈构建无线网络实现主从节点之间数据的采集与传输,利用串口通信技术与PC 机通信,并编程实现数据处理、存储与显示。 　　1 引言 　　随着生产技术的提高, 环境温度指标越来越多的影响到生产效率、能源消耗和生活水平。不管是工业、农业、军事及气象领域, 还是日常生活环境, 都需要对温度进行监测。因而,设计可靠且实用的温度采集系统显得非常重要。 　　在传统的温度采集系统中, 节点一般采用有线连接方式, 布线繁琐, 扩展性和可移植性较差。尤其对于广阔空间环境中的温度采集,如果采用有线方式其成本和功耗都比较高。而ZigBee 作为一种新兴的短距离、低功耗、低成本的无线通信技术, 能广泛应用于工业控制、消费电子、家庭自动化、医疗监控各种领域。 　　本文设计了一种基于ZigBee 无线技术的多点温度采集系统, 实现了主从节点间数据的无线传输, 同时上位PC 机采用串口与主节点通信,并建立温度数据库,实现了数据的统一管理。该系统具有扩展性好、稳定可靠、维护方便等特点。 　　2 系统整体概述 　　本文设计的温度采集系统结构如图1 所示。系统采用ZigBee 星型网络拓扑结构,建立了一个主节点,四个从节点的无线传感网络,实现数据的无线传输。各个从节点连接数字温度传感器DS18B20 定时采集环境温度,并通过无线传感网络将数据依次向主节点发送,主节点收到数据后通过串口传给上位PC 机,上位机将采集的数据存入数据库, 对数据进行分析处理, 并在监控界面显示温度实时变化曲线。 　　 图1 温度采集系统结构图 　　3 系统硬件设计 　　3.1 主节点硬件设计 　　选择CC2430 作为主节点的处理器,该芯片是全球首款支持ZigBee 协议的片上系统(SOC)解决方案,集成了一个8051MCU 内核以及符合IEEE802.15.4 规范的2.4GHz 的无线收发器。芯片内部有8kb 的RAM,可选32/64/128kB 的Flash 存储单元,包含模拟数字转换器、定时器、看门狗定时器、AES128 协处理器等,同时提供了2 个UART 接口以及21 个可编程I/O 引脚。该芯片具有高度集成性和丰富的硬件资源,使得外围电路的设计变得十分简单。 　　主节点是整个网络的协调器,作为全功能设备(FullFunction Device,FFD),负责网络组建和维护、温度采集数据无线接收、与上位PC 机串口通信。因此采用CC2430-F128(128kB Flash)芯片,并在CC2430 典型应用电路的基础上扩展串行通信接口,选用MAX3232 芯片实现TTL 与RS232 电平转换。ZigBee 主节点的硬件电路如图2 所示。 图2 ZigBee 主节点电路 　　3.2 从节点硬件设计 　　从节点主要负责温度采集和数据无线传输, 可作为简化功能设备(Reduced Function Device,RFD),以降低功耗和成本。芯片采用CC2430-F32(32kB Flash),其硬件电路和主节点大致相同, 只是去掉了串口通信电路,同时在从节点芯片的I / O 口上接入多个温度传感器DS18B20 以实现多点温度数据的采集。 　　DS18B20 是“单总线”数字温度传感器,其测量温度范围为-55℃～+125℃,支持3～5. 5V 电压供电, 主要由四部分组成:64 位光刻ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器和配置寄存器。ROM 中的64 位序列号出厂前已光刻固化,每个传感器的序列号都是唯一的,因此可以在一根总线上挂接多个DS18B20,能极大减少I/O 口的占用。本系统中用DS18B20 进行多点温度采集时,传感器与从节点的CC2430 的连接形式如图3 所示。 图3 温度传感器节点连接图 　　由于ZigBee 设备功耗很低,并且能设置成定时睡眠模式以进一步省电,而DS18B20 本身功率也非常小,所以本系统中的主、从各节点均采用2 节1.5V 电池供电即可满足实际需要。 　　4 系统软件设计 　　4.1 温度传感器数据采集 　　DS18B20 可设定9～12 位的分辨率,本系统采用12位分辨率,转换精度为0. 0625℃,转换温度信号所需最长时间为750ms。温度数据由2 字节组成,以符号扩展的二进制补码形式存储,最低4 位是小数部分,中间7 位是整数部分, 1 位符号位。 　　DS18B20 内部RAM 由9 个字节的高速缓存器和E2PROM 组成,前2 个字节即为温度数据。通过复位指令、ROM 和RAM 功能命令,即可完成对指定DS18B20温度数据的采集和读取