基于ZigBee的溫度監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：為了解決惡劣環(huán)境下的線路布置不便及其維護(hù)困難等問題，給出了一種基于ZigBee的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)采用Remo DAQ-8000作為溫度傳感和控制平臺，ZigBee無線通信為無線通信網(wǎng)絡(luò)。通過5組基于ZigBee的溫度監(jiān)控實(shí)驗(yàn)，獲得了第一手資料，從而實(shí)現(xiàn)了無線監(jiān)控；同時(shí)，該系統(tǒng)可在局域網(wǎng)內(nèi)，采用C／S和B／S兩種方式進(jìn)行控制和查詢。實(shí)驗(yàn)表明，采用ZigBee無線通信代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線通信，可在過程控制領(lǐng)域產(chǎn)生重要影響。
關(guān)鍵詞：ZigBee；RemoDAQ-8000；無線監(jiān)控；C／S；B／S

0 引言
    傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)通常需要進(jìn)行人工實(shí)時(shí)測量，或者從監(jiān)控室鋪設(shè)電線到現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控，這樣不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且存在電線易腐蝕以及維護(hù)不便等困難。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)檢測、感知和采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)的觀察者感興趣的感知對象的各種信息(如光照強(qiáng)度、溫度、濕度、噪聲和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象)，并將這些信息處理后，以無線方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵查、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)控制、智能家居、醫(yī)療護(hù)理以及商業(yè)等領(lǐng)域有著非常廣闊的發(fā)展前景。
    ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，完整的協(xié)議棧只有32 KB，可以嵌入各種設(shè)備之中，同時(shí)支持地理定位功能。以上功能決定了ZigBee技術(shù)非常適合于應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。
    本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用RemoDAQ-8000過程控制平臺為溫度控制平臺，該平臺外接pt-100溫度傳感器，CC2530終端節(jié)點(diǎn)通過RS232串口與過程控制平臺相連接，以將采集的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)無線方式傳給CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過RS232串口與PC機(jī)相連，在PC機(jī)上顯示當(dāng)前的溫度數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)曲線，并將數(shù)據(jù)存儲到后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，以便在局域網(wǎng)內(nèi)通過瀏覽網(wǎng)頁的方式查看溫度數(shù)據(jù)，從而為相關(guān)人員的決策提供理論依據(jù)(例如調(diào)整溫度)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    ZigBee是基于IEEE 802．15_4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，具有近距離、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點(diǎn)。ZigBee支持全球統(tǒng)一無需申請的2．4 GHz頻段，具有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)——星形、樹形、網(wǎng)狀形，每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有各自的特點(diǎn)，用戶可按需求進(jìn)行選擇。
    整個(gè)無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)包括CC2530測溫終端、CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、顯示終端以及網(wǎng)站服務(wù)器。CC2530可以實(shí)時(shí)采集測溫終端RemoDAQ-8000實(shí)驗(yàn)平臺的溫度數(shù)據(jù)，并將溫度數(shù)據(jù)無線發(fā)送給CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，同時(shí)在上位機(jī)中進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲在后臺服務(wù)器中。這樣，用戶就可通過局域網(wǎng)上位機(jī)(B／S)進(jìn)行查詢和控制，或通過局域網(wǎng)網(wǎng)頁瀏覽(C／S)進(jìn)行查詢，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    CC2530測溫終端由RemoDAQ-8000溫控實(shí)驗(yàn)平臺、CC2530終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee無線通信、微處理器模塊等組成，可用于對待測點(diǎn)的溫度進(jìn)行采集，并通過無線方式將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由微處理器和無線通信模塊組成，它的作用是通過RS232將接收到的數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)進(jìn)行處理和顯示。RemoDAQ-8000溫控實(shí)驗(yàn)平臺由R-8520、R-8036、R-8065、pt-100和電源模塊等五部分組成。其中，R-8520的作用是實(shí)現(xiàn)RS232電平和RS485電平的相互轉(zhuǎn)換；R-8036的作用是將采集到的溫度模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量；R-8065的作用是實(shí)現(xiàn)pt-100與電熱杯的加熱與停止；pt-100相當(dāng)于溫度傳感器，其測溫范圍為-500～1 200℃，溫度越高，電阻越大。上述模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2．1 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集采用pt-100鉑電阻溫度傳感器，該傳感器阻值隨溫度的升高而上升。當(dāng)外界溫度為0℃時(shí)，其阻值為100 Ω；當(dāng)溫度為100℃時(shí)，其阻值為138．5 Ω。測溫范圍為-500～1 200℃。
    溫控箱通過三線制與pt-100相連接，溫控箱內(nèi)集成有A／D轉(zhuǎn)換模塊，可提供9～12位的轉(zhuǎn)換精度，可直接將外接溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量溫度信號，并具有操作簡單、精度高、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，十分適合于溫度檢測。
2．2 ZigBee無線通信模塊
    該模塊采用TI公司的CC2530，基于IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，工作于全球免執(zhí)照申請的2．4 GHz頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kHz。此模塊同時(shí)提供有串行外設(shè)接口(SPI)，可以使MCU與外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信，以交換信息。SPI接口不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，因而簡單高效。SPI接口包含以下4種信號線：
    MOSI——主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù)據(jù)輸入；
    MISO——主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出；
    SCLK——時(shí)鐘信號；
    ／SS——從器件使能信號，由主器件控制。
2．3 微處理器模塊
    該模塊采用51系列80C52單片機(jī)。采用Intel公司的CHMOS工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機(jī)，具有低功耗的特點(diǎn)，屬于80C51增強(qiáng)型單片機(jī)版本，同時(shí)集成了時(shí)鐘輸出和向上或向下計(jì)數(shù)器等更多功能，十分適合于自動(dòng)控制領(lǐng)域。80C52內(nèi)置8位中央處理單元、256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM、8 KB片內(nèi)存儲器ROM、32個(gè)雙向輸入輸出I／O口、3個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器和5個(gè)兩級中斷結(jié)構(gòu)，帶有一個(gè)全雙工串行通信口以及片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。
    80C51單片機(jī)芯片與RS232串口通信選用工作電壓為3．3 V的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。由于終端節(jié)點(diǎn)分散，需采用電池供電，并且需低功耗，因此，本文使用5 V電池供電，并通過LMS117穩(wěn)壓芯片將5 V轉(zhuǎn)換為3．3 V，從而使終端節(jié)點(diǎn)具有更好的靈活性和可移動(dòng)性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、溫度控制、上位機(jī)顯示和監(jiān)控三個(gè)部分。其中，數(shù)據(jù)采集軟件程序運(yùn)行在CC2530終端節(jié)點(diǎn)上，主要任務(wù)是對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和無線轉(zhuǎn)發(fā)。溫度控制軟件程序運(yùn)行在CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上，主要任務(wù)是對數(shù)據(jù)的接收和通過上位機(jī)對終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，如采集溫度、加熱等。編程語言均在TI的Z-Stack協(xié)議基礎(chǔ)上運(yùn)用C語言進(jìn)行編程。上位機(jī)軟件運(yùn)行在PC機(jī)上，以控制節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，并對節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)存儲到服務(wù)器當(dāng)中，以便為管理者決策提供依據(jù)。
3．1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    首先是對終端節(jié)點(diǎn)上電，進(jìn)行初始化工作，包括對單片機(jī)端口初始化、串行數(shù)據(jù)接口初始化、CC2530內(nèi)部存儲器初始化等。其中，CC25 30初始化主要是尋找信道、選擇PANID、選擇源地址等。網(wǎng)絡(luò)建立后，如果收到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的指令，則開始采集溫度，并將溫度無線發(fā)給協(xié)調(diào)器，否則處于休眠低功耗狀態(tài)。當(dāng)協(xié)調(diào)器所發(fā)溫度大于環(huán)境溫度時(shí)，電熱杯加熱，直至與所設(shè)溫度大致相同為止；當(dāng)協(xié)調(diào)器所發(fā)溫度小于環(huán)境溫度時(shí)，電熱杯不工作。終端節(jié)點(diǎn)軟件的流程圖如3所示。

3．2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，以及等待終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，給終端節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。該節(jié)點(diǎn)通過串口接收上位機(jī)發(fā)送的指令，并把這些指令以無線方式發(fā)給終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)收到指令后，就可執(zhí)行測溫、加熱等任務(wù)，并把溫度數(shù)據(jù)反饋給協(xié)調(diào)器，然后通過串口傳給上位機(jī)。其協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖4所示。

3．3 上位機(jī)顯示和監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
    上位機(jī)軟件采用VB6．0對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主要包括與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的串口通信和數(shù)據(jù)處理。其中，串口通信采用VB6．0自帶的MSComm控件，可方便有效地實(shí)現(xiàn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的通信。上位機(jī)軟件帶有監(jiān)控軟件界面，可顯示溫度數(shù)據(jù)和溫度曲線，操作人員可以設(shè)置溫度對終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，還可以設(shè)定采集時(shí)間間隔和報(bào)警溫度閾值。溫度數(shù)據(jù)存儲到后臺SQL Server數(shù)據(jù)庫中，以便于查詢歷史記錄。
    局域網(wǎng)查看基于ASP.net來實(shí)現(xiàn)，主要通過ado．net讀取SQL Server數(shù)據(jù)庫中的溫度值表，使溫度信息發(fā)布到IIS服務(wù)器，然后，在局域網(wǎng)內(nèi)，用戶就能以登錄網(wǎng)頁的形式在任何位置查看終端的溫度信息。
    上位機(jī)顯示和監(jiān)控軟件如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)測試和結(jié)果分析
    經(jīng)測試，本系統(tǒng)運(yùn)行良好，PC機(jī)上顯示的溫度數(shù)據(jù)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)顯示的溫度數(shù)據(jù)保持一致。表1分析了當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)和設(shè)置溫度之間的關(guān)系。由表1可知，設(shè)置溫度與實(shí)際溫度大約相差1．5℃，設(shè)置溫度與實(shí)際溫度之間的誤差百分比為2．7％。

5 結(jié)語
    本文提出的基于ZigBee技術(shù)的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)可為控制領(lǐng)域采集和控制現(xiàn)場溫度提供一種有效的解決方案。本系統(tǒng)無需布線，就可在監(jiān)控室中利用監(jiān)控軟件讀取和控制現(xiàn)場溫度，并能根據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，從而有效地節(jié)約了人力資源，尤其適用于環(huán)境惡劣的場所。此外，本系統(tǒng)還可以添加不同的傳感器來感知外界物理信號，如濕度傳感器、CO傳感器、酒精傳感器、光敏傳感器等。另外，本系統(tǒng)還可以增加中間路由節(jié)點(diǎn)，從而使傳輸距離更遠(yuǎn)。