基于ZigBee無線技術(shù)的電器溫度監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘要：利用ZigBee技術(shù)和RS-232接口設(shè)計了一套基于MRF24J40MA的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)溫度監(jiān)控管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是節(jié)點低功耗，一些分散在較遠(yuǎn)距離的物理量可以通過通信在電腦上集中顯示，實現(xiàn)了對電器設(shè)備溫升參數(shù)在較遠(yuǎn)距離內(nèi)的實時監(jiān)控。該技術(shù)在一些電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程、集中監(jiān)控管理有較好的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：ZigBee：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；MRF24J40MA

0 引言
    溫度是電器設(shè)備的一個重要參數(shù)，溫度可以間接地反映出電器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，許多故障的發(fā)生都會伴隨著溫度的不正常，所以溫度的測量在電器的檢測中是非常必要的。
    傳統(tǒng)溫度測量都是通過有線的方式組成網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)。但是這種傳輸方式存在一定的局限性，比如遠(yuǎn)距離傳輸時的不可靠、線路干擾、電壓絕緣、以及需要布線等問題。對于以上缺點就要尋求無線傳輸來解決。在我國，無線傳輸方式頻段在2．4GHz是工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療(ISM)頻段，無需申請許可。在這個頻段上，按技術(shù)規(guī)范、協(xié)議劃分，有幾個無線通信方式。本文采用的無線通信方式是一種新興的近距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee。
    ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE 802．15．4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)是近距離、低速率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有射頻傳輸成本低、各節(jié)點只需要很少的能量、功耗低、適于電池長期供電、快速組網(wǎng)自動配置、自動恢復(fù)和高級電源管理等優(yōu)點。與其他無線協(xié)議相比，ZigBee無線協(xié)議提供了低復(fù)雜性、較小的資源要求，最重要的是它提供了一組標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。它還提供了三個工作頻帶，以及一些網(wǎng)絡(luò)配置和可選的安全功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案
    本設(shè)計采用Microchip公司生產(chǎn)的18F4620作為MCU，MRF24J40MA模塊作為ZigBee無線模塊。微芯公司的協(xié)議棧源代碼開放，為開發(fā)人員提供很大的方便。還有配套的ZENATM可生成對應(yīng)方案的配置文件，為編程者提供參考。
    無線測溫系統(tǒng)的目的就是將分布在不同位置的溫度值通過ZigBee通信協(xié)議發(fā)送到PC機(jī)，為PC機(jī)處理信息提供數(shù)據(jù)。
    終端傳感設(shè)備由帶有溫度傳感器的ZigBee模塊組成。其功能是周期性地檢測目標(biāo)溫度，隨后將檢測到的溫度值通過ZigBee通信協(xié)議發(fā)送到路由器或者協(xié)調(diào)器。路由器在接收來自終端傳感設(shè)備的數(shù)據(jù)后會向協(xié)調(diào)器發(fā)送。協(xié)調(diào)器在得到數(shù)據(jù)后將各個節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)通過RS-232接口發(fā)送給PC端顯示，PC機(jī)與協(xié)調(diào)器之間還可以進(jìn)行交互操作。圖1為無線測溫度系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

2 硬件設(shè)計
    本系統(tǒng)所用的ZigBee無線模塊采用MRF24J40MA，MRF24J40MA與單片機(jī)之間的接口框圖如圖2所示，該模塊采用了四線制SPI接口，CS腳接單片機(jī)的RC0，INT接單片機(jī)的RB0，WAKE接單片機(jī)的RC1，RESET接單片機(jī)的RC2。

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    該系統(tǒng)協(xié)調(diào)器與PC機(jī)相連采用RS232接口，RXD、TXD分別接單片機(jī)的RX、TX引腳。協(xié)調(diào)器通過該接口將來自各個節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)通過VB的調(diào)試界面可以讀出協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù)，以達(dá)到監(jiān)控的目的。該RS232接口電路如圖3。

    終端傳感器設(shè)備主要由一個溫敏電阻、一個ZigBee模塊和一個最小單片機(jī)系統(tǒng)組成。終端設(shè)備可以按實際需要分布在不同的地方，將采集到的溫度值發(fā)送到協(xié)調(diào)器，終端傳感設(shè)備的原理圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計
3．1 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計
    協(xié)調(diào)器在完成網(wǎng)絡(luò)的生成以及加入管理以后，就接收來自各個節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過串口顯示到PC機(jī)上，程序流程圖如圖5所示。

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3．2 傳感器節(jié)點程序設(shè)計
    傳感器節(jié)點在上電以后，進(jìn)行硬件初始化。在加入已有網(wǎng)絡(luò)后，定時向協(xié)調(diào)器或者路由設(shè)備發(fā)送溫度值。傳感器節(jié)點程序流程圖如圖6所示。

4 實驗結(jié)果
    本系統(tǒng)中RS-232接口的波特率采用19200Bps，無校驗位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位。在連好所有硬件以后，打開VB調(diào)試程序，設(shè)置好后，對協(xié)調(diào)器上電。稍后，在窗口里面提示組網(wǎng)成功。然后對終端傳感設(shè)備上電，窗口里會提示新的節(jié)點加入以及該節(jié)點的溫度值。實驗界面如圖7所示。

5 結(jié)語
    本文介紹了基于ZigBee的溫度測量及監(jiān)控的軟硬件設(shè)計，對于電器以及環(huán)境中其他一些參數(shù)，同樣可以通過傳感器轉(zhuǎn)化成電信號，并通過該無線網(wǎng)絡(luò)平臺進(jìn)行傳輸。ZigBee方案簡便易行、成本低廉，可以很好地解決有線通信方式布線難度大、成本高、不易維護(hù)和升級等問題，具有較高的組網(wǎng)靈活性和傳輸可靠性，在建筑自動化網(wǎng)絡(luò)、住宅安防系統(tǒng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程抄表以及PC外設(shè)等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。