1、陕 西 理 工 学 院1基于 ZigBee 的温度监控系统摘 要：近年来，随着计算机技术、网络技术与无线通信技术的高速发展和广泛应用，无线通讯网络成为一个在国际上备受关注的前沿热点的研究领域。目前各种无线技术百花争艳，竞争非常的激烈，无线生活即将到来。从手机通信用的 GPRS,到短距离用的蓝牙，电脑无线上网用过的 Wi-Fi，各种无线通信技术已经遍布我们的生活中，然而从 2004 年 IEEE 制定出一种新的无线通信协议后，这似乎又预示着一种新的革命，虽然他的速度不是想象中的那么迅速，但是这种苗头已经悄悄地成长起来。他就是备受人们关注的 zigbee 协议。本文在各种无线通信中选取一种最具竞争
2、力的蓝牙技术与 zigbee 技术对比，在对比出双方优越性之后我们选取了 zigbee 协议作为我们毕业设计。本毕业设计主要利用 zigbee 网络监控各种生产车间各个地点的温度值，然后通过 zigbee 网络传递到监控室，上位机能够实时的显示各个监控点对应的温度，并且可以设置对个不同监控点的报警温度，温度超过报警值时上位机可以视觉报警，在现场监控点可以声音报警，并且可以随意增加监控点，随意移动监控点，传输数据安全稳定可靠，采用电池供电，操作非常方便，避免了繁琐的拉线等操作。最后通过温度采集实验对系统进行了测试，结果表明，系统运行稳，效果良好。关键词：无线网络，zigbee，cc2530，温度
3、监控前 言随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展，对监控数据传输的实时性、数据接口的开放性以及数据链接的安全性的要求越来越高，有线控制网络的局限性也越来越突出。相继问世。其中 ZigBee 短程无线网技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势，在工业控制领域中展现了深厚的发展潜力 1。ZigBee 是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准。它出现的时间较短，2004 年底才由 ZigBee 联盟发布了 1.0 版本规范，尚未进入大规模的商业化生产和应用;但是，它的上升势头十分明显，已有 Chipcon、Freescale、CompXs、E
4、mber 四家公司在 2005 年 4 月通过了ZigBee 联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。预计从今年开始，基于 ZigBee 的无线通信产品和应用会迅速得到普及和高速发展 2-4。将设备数据采集之后再通过无线 ZigBee 网络进行传输是 ZigBee 技术在工业现场环境中的一种应用，这种新兴的技术必将给工厂现代化注入新的活力。陕 西 理 工 学 院2ZigBee 技术填补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空白，其使用的便捷性是该技术成功的关键，它适用于短距离小范围的基于无线通信的控制领域，必将在工业自动化等领域得到广泛的应用。数据采集技术已经相对成熟，将它重新构建于 ZigBee
5、 网络平台之上，将成熟技术的稳定性和新技术的便捷性充分结合起来，这种结合对于工业现场十分必要。减少了在某些场所有线网络布线以及工人人工采集数据的不便，同时可以方便的于各种传感器搭配用于不同的场合。一、zigbee 应用有了 ZigBee 的一些技术优势，也谈到了不足之处，目前有些说法把它跟其它他的无线技术，如 Wi-Fi、Bluetooth、RFID、NFC 等等进行类比，说某种技术不如另一种，甚至说某种技术要取代另一种，这样的说法是片面的。作为一种低速率的短距离无线通信技术，ZigBee 有其自身的特点，因此应该有为它量身定做的应用，尽管在某些应用方面可能和其他技术重叠。下面就来简单看看 Z
6、igBee 可能的一些应用，包括智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用。二、系统总体设计1.系统总体方案Zigbee 的主要优势是低功耗和组网，网络的组建是 zigbee 不同于其他无线协议的主要优势所在，一个网络的组建形式决定了整个系统能否畅通，顺利的工作，因此选择合理的网络结构是非常重要的。为了实现任意无线节点之间都可以传递信息的目标，在串状连接方式的基础上又发展了网状连接方式。网状连接方式又称为点到点到点（point-to-point-topoint）方式，它与传统的点到多点连接方式最大的不同是，网状连接方式中的每一个节点都有无线微处理器，所以无需无线路由器就可
7、以实现与另一节点之间的互连。由于这个新的网络特征，每个无线节点不仅可以收发信息，还可以自动转发信息到网络中的其他任意节点。由于网状连接方式中每个节点的智能化，所以，当网络中任一节点故障时，附近的无线节点会代替该故障的节点，继续进行信息的传输和转发，从而大大提高了系统可靠性。同时，由于任意无线节点之间通过无线连接就如接力赛跑一样，信息可以通过无线节点组成的网络传输到更远的地方。网状结构如下图陕 西 理 工 学 院3图 2-3 网状结构网络拓扑结构的选择本系统采用网状结构，通过传感器节点采集温度，并发送这些数据到中心收集节点进行处理。当采集节点的距离太远是我们必须增加路由节点的传递采集节点要发给中
8、心收集节点，在采集节点与中心收集节点之间合适的位置放置几个路由器将大大提高整个网络的稳定传输，为了简单期间，只有一个中心节点收集这些信息，处理后通过串口送到计算机，这些信息可以在串口调试工具或超级终端上看到。2、芯片的选择zigbee 网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。微处理器模块在无线收发模块的协作下完成 zigbee 网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发以及 zigbee2007 协议栈的正常运行3。在网络节点的硬件设计中可以根据成本与操作可行性等因数选择不同的的设计方案，本设计选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案。设计选用 ti 公司最新 zigbee
9、芯片 cc2530f256，工作在 2.4ghz 频段，是符合 ieee 802.15.4 规范的真正片上系统解决方案，也是目前众多 zigbee 设备产品中表现最为出众的微处理器之一。三、系统硬件电路设计1、硬件部分总体介绍本设计将温度传感器采集来的数据通过 zigbee 协议传递到上位机显示，并能够在现场实时显示采集的温度，人机交互采用按键控制，LED 灯闪烁，和数码管指示，系统框图如下图。陕 西 理 工 学 院42、电源部分设计CC2530 的供电电源为 3.3V，其误差范围为0.5V。我们最常用的电源为 5V，比如普通的直流电源和电脑的 USB 借口电源都是 5V 的，所以如果给 CC
10、2530 供电我们有两种选择。第一普通的干电池电压在 1.5V 左右，如果是新干电池其电压范围一般都在 1.5V 以上，所以两节干电池串联起来其电压值可以达到 3.2V 左右，实际测量中其值为就在 3.2V 左右，这个误差范围在 CC2530 电源误差范围之内，所以用干电池供电时一种供电方式。第一我们采用稳压芯片，在市场中最常用的 3.3V 稳压芯片为 AMS1117，如图 3-2 所示图 3-2 AMS1117其典型电路图如下图图 3-3 AMS1117 典型电路使用输入旁路电容，10uF 的钽电容适用于几乎所有的应用。输出电容如果使用钽电容，AMS1117 要求输出电容的最小值为 10uF
11、。陕 西 理 工 学 院5真对本设计的电源设计如下图所示 VI3GND1O2UAMS7BTERY64W-PC_Headr串.+p0ufLKs图 3-4 供电电源电路3、显示部分的设计本设计的显示采用数码管显示，如下图所示 9gcb8mQFX图 3-5 供电电源电路4、按键部分设计针对按键这部分，在自己的硬件上根据 TI 这种按键的使用方法制作了 AD 键盘，AD 键盘共有 5 个按键，分别为上、下、左、右、中原理图如下图，在 PCB 布局上就按照 1-5 分别对应上下左右中的顺序布局。陕 西 理 工 学 院6S5W-PB41230pFCakRes7_VGNDK98TE图 3-6 AD 键盘电路
12、5、 温度采集与报警设计51 温度采集电路温度传感器我们采用单总线的 DS18B20，其硬件电路比较简单，使用比较方便，而且读取的温度值非常准确，适用与一般环境下的温度采集。其电路图如下图所示 UO串.图 3-8 普通按键电路5.2 报警电路这里我们采用无源蜂鸣器，这样报警的音调我们可以自己去控制，报警电路如下图所示 ZQ图 3-9 报警电路陕 西 理 工 学 院76 、其余电路的设计6.1 串口调试电路的设计电路图如下所示 1238495CONDBRIT0GV+-UMAX.uFap_串图 3-10 串口电路6.2 状态指示灯电路的设计状态指示灯的设计就比较简单，其原理图如下图 QPLEesK
13、图 3-11 指示灯电路四、系统软件的设计4.1 软件部分总体介绍软件设计整体流程本设计的网络拓扑结构选择树状结构，树状结构必须有路由的加入，所以本设计的软件部分设计分别要对协调器、路由器、终端节点分别进行设计。下图为整个系统的流程图陕 西 理 工 学 院8图 4-1 系统整体流程从图中可以看出，终端节点有两种与协调器的通信方式，当终端节点检测到的协调器信号强度超过路由器时，将直接与协调器通信，相反如果检测不到协调器的信号或者信号强度比路由节点的若，则通过路由节点将数据传送给协调器。4.2 协调器的软件设计协调器是整个网络的核心，协调器负责创建和维护整个网络，为每个加入该网络的设备分配一个网络
14、地址，在协调器启动时其网络地址将自动设置为 0x0000。本设计协调器的工作流程图如下图开 始系 统 一 系 列初 始 化检 测 设 备 启动 类 型是 否 为 协调 器 启 动启 动 建 立 网络用 户 任 务 初始 化初 始 化 端 点描 述 符 和 串口进 入 扫 描 任务 事 件 状 态等 待 允 许绑 定 按 键按 下打 开 允 许 绑 定是 否 有 设备 申 请 绑定绑 定 请 求 应 答是 否 有 数据处 理 数 据 并 通 过 串口 发 送 到 上 位 机进 入 扫 描 任 务 事件 状 态结 束YYY Y图 4-13 协调器启动流程图4.3 路由的软件设计路由器的设计相对协调
15、器和终端设备要简单些，设置其启动类型后他就负责转发协调器与终端节点的数据，只起到一个中继器的作用，在 z-stack 中我们编译文件 f8wRouter.cfg就能把设备初始化为一个路由设备，在该文件中在 Router Settings 里只定义了-DRTR_NWK这比协调器少了一个-DZDO_COORDINATOR，所以设备只能实现路由的功能了。路由的工作流程相对协调器要简单很多，如下图所示陕 西 理 工 学 院9开 始系 统 一 系 列初 始 化检 测 设 备 启动 类 型是 否 为 路由 器 启 动加 入 网 络用 户 任 务 初始 化初 始 化 端 点描 述 符 和 串口进 入 扫 描
16、 任务 事 件 状 态是 否 有 数据 进 入YY转 发 数 据图 4-14 路由启动流程图4.4 终端节点的软件设计终端节点负责采集温度数据，发送给协调器，并能够实时的报警。因此终端节点的软件设计包括其本身终端节点的功能外，还要设计温度采集部分，和报警部分。终端节点的流程如下图所示。开 始系 统 一 系 列初 始 化检 测 设 备 启动 类 型是 否 为 终端 启 动加 入 网 络用 户 任 务 初始 化初 始 化 端 点描 述 符进 入 扫 描 任务 事 件 状 态设 置 绑 定处 理 数 据 并 并 发 送出 去进 入 低 功 耗 模 式YYY定 时 采 集 温 度 数据发 送 绑 定
17、请 求绑 定 成功 否 ？N定 时 时间 到 YN图 4-15 终端节点流程图五、上位机设计上位机负责接收协调器通过串口发送来的数据并实时显示。上位机软件如下图所示陕 西 理 工 学 院10图 5-1 上位机软件主页面在软件中串口号和波特率是可以选择的，左上角有个界面配置，打开后如下图所示图 5-1 上位机软件配置面该配置页面可以配置协议的规范，包头、包尾、校验位等，设置完成后点击完成即可。六、测试结果连接好硬件设备在终端节点与协调器绑定成功后，选择好串口名称，设置好波特率，打开串口后页面显示如下，此时我们只用了两个节点，该页面为为设置报警数据前的页面，温度值正常显示为黑色，并且在设置的定时时间内周期性的闪烁，闪烁的样式是棕色与黑色交替显示。
