基于ZigBee的溫度監(jiān)控系統(tǒng)

引言

傳統(tǒng)溫度控制系統(tǒng)通常需要進行人工實時測量，或者從監(jiān)控室鋪設電線到現(xiàn)場進行監(jiān)控，這樣不僅費時費力，而且存在電線易腐蝕以及維護不便等困難。無線傳感器網(wǎng)絡(wirelesssensornetwork，WSN)[1]是一種由傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡，能夠?qū)崟r檢測、感知和采集節(jié)點部署區(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)絡最終發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡在軍事偵查、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)控制、智能家居、醫(yī)療護理以及商業(yè)等領域有著非常廣闊的發(fā)展前景。

ZigBee是一種近距離、低復雜度、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32KB，可以嵌入各種設備之中，同時支持地理定位功能。以上功能決定了ZigBee技術(shù)非常適合于應用在無線傳感器網(wǎng)絡中。

本文設計了一種基于ZigBee的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用RemoDAQ-8000[3]過程控制平臺為溫度控制平臺，該平臺外接pt-100[4]溫度傳感器，CC2530終端節(jié)點通過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。協(xié)調(diào)器節(jié)點通過RS232串口與PC機相連，在PC機上顯示當前的溫度數(shù)據(jù)和實時曲線，并將數(shù)據(jù)存儲到后臺數(shù)據(jù)庫服務器中，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)總體設計

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(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。ZigBee支持全球統(tǒng)一無需申請的2.4GHz頻段，具有三種拓撲結(jié)構(gòu)——星形、樹形、網(wǎng)狀形，每種拓撲結(jié)構(gòu)都有各自的特點，用戶可按需求進行選擇。

整個無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)包括CC2530測溫終端、CC2530

協(xié)調(diào)器節(jié)點、顯示終端以及網(wǎng)站服務器。CC2530可以實時采集測溫終端RemoDAQ-8000實驗平臺的溫度數(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。協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口與上位機進行通信，同時在上位機中進行相關數(shù)據(jù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)存儲在后臺服務器中。這樣，用戶就可通過局域網(wǎng)上位機(B/S)進行查詢和控制，或通過局域網(wǎng)網(wǎng)頁瀏覽(C/S)進行查詢，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2系統(tǒng)硬件設計

CC2530測溫終端由RemoDAQ-8000溫控實驗平臺、CC2530終端節(jié)點、ZigBee無線通信、微處理器模塊等組成，可用于對待測點的溫度進行采集，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。CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點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機進行處理和顯示。RemoDAQ-8000溫控實驗平臺由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的作用是實現(xiàn)pt-100與電熱杯的加熱與停止；pt-100相當于溫度傳感器，其測溫范圍為-500~1200°C,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。當外界溫度為0C時，其阻值為100Q；當溫度為100C時,其阻值為138.5Q。測溫范圍為-500~1200C。

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、響應時間短等特點，十分適合于溫度檢測。

2.2ZigBee無線通信模塊

該模塊采用TI公司的CC2530,基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議，工作于全球免執(zhí)照申請的2.4GHz頻段,數(shù)據(jù)傳輸速率為250kHz。此模塊同時提供有串行外設接口(SPI),可以使MCU與外圍設備以串行方式進行通信，以交換信息。SPI接口不需要進行尋址操作，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時鐘信號；

/SS―從器件使能信號，由主器件控制。

圖2系統(tǒng)硬件中的模塊結(jié)構(gòu)圖

2.3微處理器模塊

該模塊采用51系列80C52[5]單片機。采用Intel公司的CHMOS工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機，具有低功耗的特點，屬于80C51增強型單片機版本，同時集成了時鐘輸出和向上或向下計數(shù)器等更多功能，十分適合于自動控制領域。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、8KB片內(nèi)存儲器ROM、32個雙向輸入輸出I/O口、3個16位定時/計數(shù)器和5個兩級中斷結(jié)構(gòu)，帶有一個全雙工串行通信口以及片內(nèi)時鐘振蕩電路。

80C51單片機芯片與RS232串口通信選用工作電壓為3.3V的MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片。由于終端節(jié)點分散，需采用電池供電，并且需低功耗，因此，本文使用5V電池供電，并通過LMS117穩(wěn)壓芯片將5V轉(zhuǎn)換為3.3V,從而使終端節(jié)點具有更好的靈活性和可移動性。

3系統(tǒng)軟件設計

整個系統(tǒng)的軟件設計包括數(shù)據(jù)采集、溫度控制、上位機顯示和監(jiān)控三個部分。其中，數(shù)據(jù)采集軟件程序運行在CC2530終端節(jié)點上，主要任務是對溫度數(shù)據(jù)進行采集和無線轉(zhuǎn)發(fā)。溫度控制軟件程序運行在CC2530協(xié)調(diào)器節(jié)點上，主要任務是對數(shù)據(jù)的接收和通過上位機對終端節(jié)點發(fā)送控制指令，如采集溫度、加熱等。編程語言均在TI的Z-Stack[6]協(xié)議基礎上運用c語言進行編程。上位機軟件運行在PC機上，以控制節(jié)點工作狀態(tài)，并對節(jié)點發(fā)送來的溫度數(shù)據(jù)進行處理和顯示，同時將這些數(shù)據(jù)存儲到服務器當中，以便為管理者決策提供依據(jù)。

3.1終端節(jié)點軟件設計

首先是對終端節(jié)點上電，進行初始化工作，包括對單片機端口初始化、串行數(shù)據(jù)接口初始化、CC2530內(nèi)部存儲器初始化等。其中，CC2530初始化主要是尋找信道、選擇PANID、選擇源地址等。網(wǎng)絡建立后，如果收到協(xié)調(diào)器節(jié)點的指令，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)。當協(xié)調(diào)器所發(fā)溫度大于環(huán)境溫度時,電熱杯加熱，直至與所設溫度大致相同為止；當協(xié)調(diào)器所發(fā)溫度小于環(huán)境溫度時，電熱杯不工作。終端節(jié)點軟件的流程圖如3所示。

圖3終端節(jié)點流程圖

3.2協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計

協(xié)調(diào)器節(jié)點負責網(wǎng)絡的建立，以及等待終端節(jié)點加入網(wǎng)絡。當終端節(jié)點加入網(wǎng)絡后，給終端節(jié)點分配網(wǎng)絡地址。該節(jié)點通過串口接收上位機發(fā)送的指令，并把這些指令以無線方式發(fā)給終端節(jié)點，終端節(jié)點收到指令后，就可執(zhí)行測溫、加熱等任務，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。其協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件流程圖如圖4所示。

圖4協(xié)調(diào)器節(jié)點流程圖

3.3上位機顯示和監(jiān)控軟件設計

上位機軟件采用VB6.0[7]對數(shù)據(jù)進行處理，主要包括與協(xié)調(diào)器節(jié)點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，可方便有效地實現(xiàn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點間的通信。上位機軟件帶有監(jiān)控軟件界面，可顯示溫度數(shù)據(jù)和溫度曲線，操作人員可以設置溫度對終端節(jié)點進行控制,還可以設定采集時間間隔和報警溫度閾值。溫度數(shù)據(jù)存儲到后臺SQLServer冏數(shù)據(jù)庫中，以便于查詢歷史記錄。

局域網(wǎng)查看基于ASP.net図來實現(xiàn)，主要通過ado.net讀取SQLServer數(shù)據(jù)庫中的溫度值表，使溫度信息發(fā)布到IIS[10]服務器，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。

上位機顯示和監(jiān)控軟件如圖5所示。

(a)上位機顯示界面

(b)監(jiān)控中心界面圖

圖5上位機顯示和監(jiān)控軟件界面圖

4實驗測試和結(jié)果分析

經(jīng)測試，本系統(tǒng)運行良好，PC機上顯示的溫度數(shù)據(jù)與協(xié)調(diào)器節(jié)點顯示的溫度數(shù)據(jù)保持一致。表1分析了當前溫度數(shù)據(jù)和設置溫度之間的關系。由表1可知，設置溫度與實際溫度大約相差1.5°C,設置溫度與實際溫度之間的誤差百分比為2.7%。

表1設置溫度與實際溫度分析表

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，從而使傳輸距離更遠。

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