基于ZigBee多节点无线温度数据采集系统设计

1、doi:103969/jissn1671-1041201202008基于ZigBee多节点无线温度数据采集系统设计李建飞,王炜(天津工业大学电气工程与自动化学院,天津300387摘要:介绍了一种基于ZigBee技术的多节点无线温度数据采集系统。该系统以CC2530为主控芯片,选用DS18B20作为温度传感器,测温节点将采集的温度数据通过无线的方式发送出去,协调节点以无线的方式接收数据并传送至上位机显示。通过测试表明该系统具有结构简单,功耗低,低成本等特点。关键词:ZigBee;CC2530;无线数据采集中图分类号:P29文献标志码:AMulti-node wireless temperatur

2、e data acquisition system based on ZigBeeLI Jian-fei,WANG Wei(Tianjin Polytechnic University School of Electrical Engineering and Automation,Tianjing300387,China Abstract:Describes a multi-node wireless technology temperature data acquisition system based on ZigBeeThe system for the main chip CC2530

3、,used as a temperature sensor DS18B20,temperature nodes collected and sent temperature data via wireless means,the coordinator node received data by wireless ways and transmit to PCTest shows that The system has a simple structure,low power consumption,low costKey words:ZigBee;CC2530;wireless data a

4、cquisition0引言传统的温度采集系统通常采用有线传输信号的方式,不仅布线复杂,维修不便且费用较高。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技术2作为一种新兴的短距离、低复杂度、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。针对这一传统测温系统的不足并结合ZigBee的优势,本文提出了一种基于ZigBee 无线技术的多节点无线数据采集系统,实现了多个节点间数据的无线传输。该系统具有扩展性好、稳定可靠、维护方便等特点。1系统总体架构本系统主要由一个ZigBee协调设备和多个温度测量节点所组成的基础无

5、线传感网络5。系统所要实现的功能就是通过测温节点测出温度数据,以无线信号的形式发送给协调节点,然后,协调节点接收信号并通过串口传输至PC机显示。其中测温节点有温度传感器和射频模块组成,协调节点由射频模块和微处理器构成,组成框图如图1所示。各测温节点负责采集温度数据信息,然后送给射频芯片发射出去,协调节点通过射频芯片接收数据信息,最后通过串口传送给上位机PC。另外测温节点属于终端节点设备,该节点可处于休眠状态以降低功耗;协调节点属于协调器设备,负责整个网络的初始化和建立,允许节点的加入和删除节点,为整个网络提供良好的运行平台,该节点一直处于活动状态 。图1系统整体框图2测温节点设计测温节点主要实

6、现对温度信息的采集、预处理和无线传输。在功能上,测温节点一般可分为传感器功能模块、微控制器功能模块、无线通信功能模块和电源功能模块。本设计采用CC2530和DS18B20作为主要芯片实现温度的测量和传输。其硬件框图如2所示。仪器仪表用户科研设计成果欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息EIC Vol192012No22122EICVol192012No2欢迎光临本刊网站http :/wwweiccom cn图2测温节点硬件框图21传感器模块CC2530芯片内部集成有温度传感功能模块,但其测量误差较大,不适用于实现温度的精确测量。需要选择芯片外部独立温度传感器实现温度传感功能。CC2530内部集成

7、有12位ADC ,可以直接与模拟温度传感器相连构成温度传感系统,但是由于此种应用需要进行ADC 校准和温度手工标注,会人为影响系统精度和开发周期。所以,本设计采用数字温度传感器DS18B20与CC2530实现温度传感功能应用。DS18B20内部结构主要有温度传感器、A /D 转换器、信号处理器、存储器及接口电路五部分组成。其主要特点是温度测量精确,对温度的分辨率为0.5;测量范围广,测量范围可从55到+125;单总线接口,只需一个接口即可完成温度转换的读写操作,可简化线路,节省I /O 资源,提高经济性。系统可将监测到的温度信息数字化,采用9位数字方式直接读取温度,其典型转换时间仅为1s 。2

8、2微控制器模块和无线通信模块微控制器模块和无线通信模块是基于CC2530芯片实现的。无线射频CC2530芯片是完全符合Zig-Bee 技术的24GHz 射频系统单芯片,适合于各种无线网络节点。其主要特点是体积小、高性能、低功耗、具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。CC2530芯片内嵌入了高性能和低功耗的8051微控制器核,集成了符合IEEE802154标准的24GHz 频段的RF 无线电收发模块,还集成了14位模数转换ADC 模块,具有电池监测和温度传感功能,具有串口等丰富的接口资源。CC2530的低功耗无线通信能力、高性能的处理能力和诸多独特的设计使其成为分布式无线温度测量系统硬件实现

9、的最佳选择之一。23电源模块CC2530内部使用18V 工作电压,适合于电池供电的设备,外部数字I /O 接口使用33V 电压,以保持和33V 逻辑器件兼容。CC2530片上集成有自流稳压器,能将33V 电压转换为18V 电压,这样只有33V 电源的设备无需外加电压转换电路就能正常工作。本系统测温节点采用两节15V 电池供电,协调节点采用33V 直流电源进行供电。24测温节点程序流程图测温节点程序流程图如图3所示。上电复位后,首先对本节点所用的硬件及协议栈的初始化,然后开始搜索指定信道上的网络协调器,并发出连接请求。建立连接成功后,测温节点将得到一个16位的网络短地址,并采用SCMA-CA 机

10、制,通过竞争取得信道使用权,向协调节点发送数据。各测温节点每10秒读取温度传感器数值,同时开启睡眠定时器,当数据成功发送给协调节点后该节点立即进入睡眠状态,最大程度地降低功耗,延长节点的电池使用时间。本节点的初始化程序包括对DS18B20初始化子程序、无线通信协议栈初始化程序和CC2530的看门狗、定时器等的初始化程序 。图3测温节点程序流程图3协调节点设计协调节点主要完成整个网络的建立与维护,与测温节点间实现绑定的建立,接收来自测温节点通过ZigBee 无线网络发送过来的温度数据,并实现数据的存储、显示及汇总。之后,通过RS-232串口将接收的温度信息连同测温节点信息传输给上位机PC ,以便

11、对数据进一步处理。协调节点主要由无线通信模块、微控制器功能模块、串口通信模块和电源功能模块构成。其硬件结构如图4所示。协调节点与PC 机之间的通信仅需两根线(TXD 和RXD 就可实现两者之间的全双工通信,微控制器的UART 和RS-232接口之间需要一个串行转换器,在这里采用Maxim 公司的MAX232。因协调节点与测温节点硬件结构类似,故不再对其赘述 。图4协调节点硬件结构框图系统上电后,首先将硬件和协议栈初始化,然后建立网络,成功建立后LED 指示灯亮,接着扫描信道查询网络,当有子节点尝试加入时,读取其地址并保存在地址表中。然后,协调节点负责收集各测温节点数据,对数据进行分析处理,把测

12、温节点的传输过来的数据进行转换,得到实际的温度值然后通过串口发送给上位PC 机。其流程图如图5所示。科研设计成果仪器仪表用户欢迎订阅欢迎撰稿欢迎发布产品广告信息EICVol192012No2 23图5协调节点程序流程图4系统测试系统测试时采用星型网络拓扑结构,ZigBee 网络由一个上位机PC 、一个协调节点(主设备和多个带温度传感器的测温节点(从设备组成。测试时,采用串口调试助手,端口参数为:波特率38400、数据位8位、停止位1位,无奇偶校验、无数据流控制。系统测试时将所有节点分布在一个空旷的房间里,测温节点与协调器节点之间的距离在50米左右。从串口调试助手窗口中,可以看到2个节点的地址、

13、温度值和ZigBee 模块电池电压,详细数据见图6 。图6温度采集结果5结束语把低成本、低功耗的无线ZigBee 技术应用于温度数据的采集系统,不但能够同时对多个节点温度进行实时采集和分析,还可以提高系统应用的灵活性、可靠性、实时性。同时开发价格较低廉、性价比较高,安装维护简单,也减少了传统方式下系统现场布线带来的各种问题。参考文献1陈旭,方康玲,李小卉基于CC2430的ZigBee 数据采集系统设计J 湖南工业大学学报,2008,22(6:59-612李文仲,段朝玉ZigBee 无线网络技术入门与实战M 北京:北京航空航天大学出版社,20073武风波,强云霄基于ZigBee 技术的远程无线温

14、湿度测控系统的设计J 西北大学学报:自然科学版,2008,38(5:731-7344刘渝灿基于CC2430片内温度传感器温度监测系统的设计J 中国仪器仪表,2008,(7:40-41,455颜振亚,郑宝玉无线传感器网络J 计算机工程与应用,2005,(15:20-236潘勇,孟庆斌基于DS18B20的多点温度测量系统设计J 电子测量技术,2008,(9:91-937赵海兰,赵祥伟智能温度传感器DS18B20的原理与应用J 现代电子技术,2003,(4:32-348王秀梅,刘乃安利用24GHz 射频芯片CC2420实现ZigBee 无线通信设计J 国外电子元器件,2005,(3:59-62作者简

15、介:李建飞,硕士研究生,主要研究领域为嵌入式。收稿日期:2011-12-08 维护知识产权,虹润在行动知识产权是企业的灵魂,是企业赖以生存的根本,这对企业的发展攸关重要。福建顺昌虹润精密仪器有限公司是一家集工业自动化产品的科研开发、生产制造于一体的国家级高新技术企业,公司现拥有400多项国家专利及60多项软件版权登记,是国家知识产权试点单位,“虹润”商标是著名商标。经过多年创建,“虹润”品牌已成为业界的著名品牌。然而随着虹润品牌知名度的扩大,近年来,不断出现一些不法公司,他们藐视法律,投机取巧,企图通过不正当竞争手段,搭虹润品牌便车,侵害虹润公司利益,以达到非法盈利的目的。山东省济宁市济润自控仪表有限公司便是其中一家。该公司不在品牌创建上下苦功,却把精力用在了歪门邪道上。它仿冒虹润公司产品,公然使用虹润公司商标、公司名称以及产品型号,堂而皇之的在市场上进行销售。当不法行为被虹润公司发现后,又匆忙将公司名称由济宁虹润改名为济宁济润,以掩饰其可耻的行径。正所谓邪不压正,鱼目不可能混珠,李鬼也不可能成为李逵,虹润公司在多次警告和敦促无果后,通过法律武器来维护自己的利益,于2010年11月,向人民法院提起了诉讼,在大量的确凿证据面前