分布式無線溫度報警系統(tǒng)硬件設計

在糧庫溫控系統(tǒng)、冷庫溫控系統(tǒng)、智能化建筑控制系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)等眾多應用系統(tǒng)中都需要多點分布式溫度測量系統(tǒng)。傳統(tǒng)的多點分布式溫度報警系統(tǒng)大多采用有線傳輸方式，布線繁瑣、耗材多、造價高、功耗大、擴展性能差、更新升級代價大、影響美觀。而且由于采用硬線連接，線路容易老化或遭到腐蝕、磨損等，故障發(fā)生率和誤報率高。
    本文將ZigBee技術與溫度測量技術結合起來，構成單總線、低功耗、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活的分布式無線溫度報警系統(tǒng)，避免了有線系統(tǒng)帶來的諸多不便，提高了溫度采集監(jiān)控的性能。

1 分布式無線溫度報警系統(tǒng)總體設計
    分布式無線溫度報警系統(tǒng)主要由3個部分組成： 溫度采集終端、協(xié)調(diào)器和監(jiān)控終端。分布式無線溫度報警系統(tǒng)的整體架構如圖1所示。

    其中溫度采集終端功能為完成溫度信息的自動采集和無線傳輸。協(xié)調(diào)器功能為負責整個傳輸系統(tǒng)的初始化，提供安全管理服務，通過串口接口與監(jiān)控終端的單片機進行數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控終端的功能為對協(xié)調(diào)器設備上傳的數(shù)據(jù)進行分析并作出相應的處理。

2 溫度采集終端硬件設計
    溫度采集終端由CC2430、DS18B20、RT9002、LED、電源電路等組成。智能型溫度傳感器DS18B20的輸出為數(shù)字信號，直接連接到CC2430的I2C口。采集終端采用電池供電方式，5V鋰電池經(jīng)XC6221A302MR降壓至3．3V供終端節(jié)點使用。采集終端硬件部分原理圖如圖2所示。

2．1 CC2430芯片介紹
    CC2430是Chipeon公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee應用的片上系統(tǒng)。它支持2．4 GHz IEEE 802．15．4／ZigBee協(xié)議。該芯片延用以往CC2420芯片的結構，在單個芯片上集成ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個8位MCU(8051)，具有32／64／128kB可編程閃存
和8kB的RAM，還包含模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器、AES-128安全協(xié)議處理器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路和掉電檢測電路。CC2430的低功耗無線通信能力、高性能的處理和傳輸能力以及網(wǎng)絡容量大等獨特的設計使其成為分布式無線溫度監(jiān)測報警系統(tǒng)硬件實現(xiàn)的最佳選擇之一。
2．2 DS18B20芯片介紹
    DS18B20是美國Dallas公司生產(chǎn)的“一線總線”接口的數(shù)字化傳感器。其具體功能特點為：3．0～5．5V單電源供電；微型化、低功耗、抗干擾能力強、易與微處理器接口；溫度測量范圍為-55～+125℃，測溫分辨率可達0．5℃；3引腳TO-92小體積封裝(GND腳接地，DQ腳作為信號線，VCC腳接電源)；可編程為9～12位A／D轉(zhuǎn)換精度；只需一根端口線就能與MCU通訊；每只DS18B20有惟一的序列號并可存入其ROM中，便于實現(xiàn)多芯片多點測量；在使用中不需要任何外圍元件；用戶可自設定非易失性的報警上下限值。本系統(tǒng)采用DS18B20可以簡化系統(tǒng)結構，提高系統(tǒng)可靠性，能較好地對環(huán)境復雜的場所進行長時間溫度采集。[!--empirenews.page--]

3 協(xié)調(diào)器硬件設計
    協(xié)調(diào)器是分布式無線溫度報警系統(tǒng)的核心，負責溫度采集終端的自動組網(wǎng)，接收采集終端的溫度信息并將其上傳給監(jiān)控終端。協(xié)調(diào)器由CC2430、RT9002、LED、電源電路、串口電路等組成。CC2430通過RS-232和監(jiān)控終端進行通信，MAX232實現(xiàn)TTL電平和RS-232電平的轉(zhuǎn)換，然后通過9針串口和監(jiān)控終端進行通信，其中MAX232的TXD／RXD端分別接CC2430的P0．3／P0．2端口。狀態(tài)指示燈接CC2430的P2．0口，當模塊初始化完成后，狀態(tài)指示燈亮，表明協(xié)調(diào)器工作正常。協(xié)調(diào)器的電源供應為市電，不需要更換電池，而且不必擔心協(xié)調(diào)器電源耗盡。市電經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為6～12V直流電，然后送RT9002芯片轉(zhuǎn)換成3．3V直流電供協(xié)調(diào)器使用。天線設計要注意阻抗匹配，CC2430射頻輸入、輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50 Ω，同時為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。硬件部分原理圖如圖3所示。

4 監(jiān)控終端硬件設計
    監(jiān)控終端由8031、7406、PB2130UP002A(壓電式蜂鳴器)、電源電路等組成。8031通過RS-232接收協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)，MAX232實現(xiàn)TTL電平和RS-232電平的轉(zhuǎn)換，其中MAX232的TXD／RXD端分別接8031的P3．0／P3．1口。低電平驅(qū)動器7406實現(xiàn)TTL電平轉(zhuǎn)換，7406的輸入端接803 1的P1．0口，輸出端與PB2130UP002A連接。當被監(jiān)測溫度超過設定門限值時，8031的PL0口輸出高電平“1”，7406的輸出為低電平“0”，使壓電蜂鳴器獲得將近5V的直流電壓，產(chǎn)生蜂鳴音。當被監(jiān)測溫度低于設定門限值時，P1．0口輸出低電平“0”，7406的輸出端升高約+5V，壓電蜂鳴器的兩端直流電壓降至接近于0V，無蜂鳴音。監(jiān)控終端的電源供電應為市電，市電經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為6～12V直流電，然后送78L05穩(wěn)壓集成電路轉(zhuǎn)換成5V直流電供蜂鳴器使用。硬件部分原理圖如圖4所示。

5 系統(tǒng)測試及結論
    根據(jù)上述系統(tǒng)設計方案，構造了含四個溫度采集終端的分布式無線溫度報警系統(tǒng)。系統(tǒng)測試是將四個zigBee節(jié)點分布到一個大倉庫的四個角落里，ZigBee節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點之間的距離在50m左右。測試結果為：當被測溫度在高于閾值上限或低于閾值下限時，蜂鳴器工作，說明溫度此時處于不正常狀態(tài)，需要做出相應的處理；當溫度在閾值范圍內(nèi)浮動時，蜂鳴器不工作，說明此時溫度處于正常狀態(tài)。
    系統(tǒng)實驗測試結果表明：本設計能實現(xiàn)溫度信息的采集、無線傳輸，監(jiān)控終端對接收到的溫度信息做出相應的處理，達到了設計的目的，有一定的實用價值。

6 結束語
    ZigBee無線通信技術解決了分布式有線溫度采集系統(tǒng)布線繁瑣，維護、升級、擴展困難等問題。用DS18B20來測量溫度，解決了傳統(tǒng)溫度采集硬件電路復雜的問題。ZigBee技術和DS18B20的結合簡化了系統(tǒng)設計，減少了布線工作量，降低了系統(tǒng)成本，提高了測量精度，增強了抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強了實用性。