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1、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、
2、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
3、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
4、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
5、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912 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3.05.5V，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
6、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(2.13.6V)，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
7、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 SPI 兼容串行接口配置，其中ATmega的SPI接口工作在主机模式，它是 SPI 数据传输的控制方，CC2420 设为从机工作方式。两者的接口电路如图 4 所示，外围再配以晶振及电容、输入、输出匹配元件和电源去耦电容等少量元件。晶振电路采用的是8MHz 晶振，工作电压选取的是3.3V。图4单片机与CC2420
8、 接口电路RS232串口通信与之间选用工作电压为3.3 V的MAX3232 电平转换芯片，以完成双向电平和逻辑关系直接的转换。由于该无线网络要求要具有很强的移动性，故要求其要具有稳定的电源供电且必须是低功耗工作。本文选用5V电池供电，通过 LM1117 将5V电压转换为3.3V，从而有效地增加了终端节点的灵活性和可移动性，携带方便，成本低。图 4 单片机与 CC2420 接口电路 3 软件设计 整个系统的软件设计包括数据采集、通信控制、监控中心三个部分。其中，数据采集软件运用在无线终端节点的单片机上，主要任务是负责采集温度数据并实现无线收发。通信控制软件运行在协调器的单片机之上，控制无线终端节
9、点系 统地按照上位机操作指令进行工作以及传送数据，它是整个系统程序的控制核心。单片机的编程语言均采用 C 语言。监控中心软件运行在服务器上，控制节点的工作状态，对下位机发送的温度数据进行有效处理，将数据进行显示、保存、绘图和信息发布等。 3 1 无线节点软件设计上电，首先是对单片机的端口进行初始化，SPI 接口初始化，以及 CC2420 的内部寄存器进行初始化，其中 CC2420 初始化主要是对发送信息指针、频道的选取、PANID、源地址的操作等。网络构建完毕后，若收到网络协调器发送到测量指令，则开始采集温度数据，并将数据发送，否则一直处于休眠状态。流程如图 5 所示。图 5 无线节点流程 3
10、.2 网络协调器软件设计系统上电，对单片机和 CC2420 等硬件进行初始化，建立无线传感器网络，然后设置其为空闲模式，等待上位机发送的指令，收到则根据指令信息控制相应的无线节点测温和发送数据，并将接收到的数据通过串口通信传送给服务器。流程如图6所示。图 6 网络协调器流程 3.3 监控中心软件设计 监控中心软件包括数据处理和信息发布两个部分。数据处理模块基于VC+ 6.0 实现，其主要工作包括串口通信的收发和数据处理。其中串口通信采用微软提供的 MSComn 控件实现，数据处理与发布服务器通过 MSComn 控件，可简单高效地实现与网络协调器之间的通信。数据收发基于中断方式，设置 MSCom
11、n 控件的 OnComm 事件来捕获数据并处理。数据处理模块带有一个监控软件界面，可实时显示各监测点温度数据、测量时间和温度曲线，能设定温度采集间隔和报警温度界限值。监测温度数据同时保存到 SQL Server 数据库以方便用户进行历史数据的查询分析，温度数据表字段包括:Time( 采集时间)，Temper( 温度值)，Position( 温测终端位置) 。信息发布模块基于 实现，实现过程主要是通过读取SQL Server 数据库的温度信息表，做成温度信息发布网站部署到 IIS 服务器，然后，用户就可以以访问网页的形式在任何位置查看任意温测终端的温度信息了。同时， 网站还支持在远程完成类似数据
12、处理模块的监控软件功能，设定某个温测终端的温度采集间隔和报警温度界限值等。 4 实验测试本文构造了两个无线监测点来对系统进行性能测试。系统上电，无线网络建立后，由用户选择测试节点，温度的测量间隔可由用户任意定义，比如测量间隔为 30 s。为方便进行网络测试，各无线监测点用 LCD 实时显示测量温度值，监测软件操作界面与实时温度曲线如图 7 所示。经测试，系统网络通信良好，PC 操作界面上显示的测量数据与LCD上显示一致。表2分析了在室内测试的无线节点测量距离与数据传输时间之间关系。由表可知: 当无线节点和网络协调器的距离大于 30 m 时，传输时间相对较长，数据更新比较迟慢; 大于50m时，传输的数据有时会出现混乱。因此在有障碍物环境下的传输距离为 50 m，其通信距离明显低于空旷的环境。图 7 监测软件操作界面8 / 8文档可自由编辑打印
基于ZigBee的无线温度监测系统设计方案
