基于ZigBee的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：文章使甩ZigBee無線數(shù)傳模塊DRF1605作為數(shù)據(jù)通信的核心模塊，設(shè)計(jì)了一個(gè)小型的溫度監(jiān)控系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程與溫度節(jié)點(diǎn)建立聯(lián)系，設(shè)定溫度和讀取溫度，實(shí)現(xiàn)了溫度信號的檢測與控制。設(shè)計(jì)方法簡單快速、使用界面友好，通過分置在多個(gè)地點(diǎn)的ZigBee溫度采集模塊，可以方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式溫度信號的采集。
關(guān)鍵詞：無線數(shù)傳；ZigBee模塊；溫度監(jiān)控

0 前言
    ZigBee協(xié)議是基于IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗、短距離的無線通信個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，與傳統(tǒng)無線通信技術(shù)(如藍(lán)牙、紅外、寬帶衛(wèi)星、3G、WLAN)相比，具有距離短、復(fù)雜度低、自組網(wǎng)功能、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，適用于自動及遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。而ZigBee模塊具有高度集成化的特點(diǎn)，可以輕松嵌入各種便攜式設(shè)備，使用戶無需考慮模塊的運(yùn)行原理，只需要將自己的數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)傳輸方式發(fā)送至模塊中，模塊便可依據(jù)預(yù)先配置好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與網(wǎng)絡(luò)中的目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向通信。本設(shè)計(jì)使用ZigBee無線數(shù)傳模塊DRF1605搭建了一個(gè)基于MESH網(wǎng)絡(luò)的小型溫度監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)上位機(jī)程序和終端節(jié)點(diǎn)間溫度信號與控制信號的雙向通訊。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    設(shè)計(jì)使用ZigBee無線數(shù)傳模塊DRF1605作為數(shù)據(jù)通信的核心模塊，可以遠(yuǎn)程與溫度節(jié)點(diǎn)建立聯(lián)系，設(shè)定和讀取溫度，實(shí)現(xiàn)溫度的檢測和控制。系統(tǒng)包含3個(gè)模塊：PC機(jī)端的上位機(jī)監(jiān)控模塊、ZigBee無線數(shù)傳模塊、AVR單片機(jī)控制模塊。處于監(jiān)測點(diǎn)的AVR單片機(jī)控制模塊對溫度傳感器DS18B20采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過UART的方式發(fā)送給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊，由ZigBee中心節(jié)點(diǎn)模塊接收，并通過RS232端口返回至PC機(jī)端的用戶界面。用戶在用戶界面可以獲取監(jiān)測點(diǎn)的當(dāng)前溫度并設(shè)定監(jiān)測點(diǎn)的預(yù)設(shè)溫度，AVR單片機(jī)控制模塊依據(jù)用戶UI設(shè)定的預(yù)設(shè)溫度與當(dāng)前監(jiān)測點(diǎn)溫度的對比實(shí)現(xiàn)溫度信號的監(jiān)控。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模塊
    ZigBee無線數(shù)傳模塊采用DTK廠家開發(fā)的完整功能模塊DRF1605，附帶RS232的總線接口板。DRF1605基于TI公司CC2530F256芯片，滿足ZigBee2007／PRO協(xié)議的全部特點(diǎn)，且CC2530F256芯片出廠時(shí)已自帶IEEE地址，用戶無需另行購買IEEE地址(MAC地址)，IEEE地址可作為Zig Bee模塊的標(biāo)識。DRF1605結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    一個(gè)完整的ZigBee MESH網(wǎng)絡(luò)包含3種節(jié)點(diǎn)：中心節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端采集節(jié)點(diǎn)，相鄰節(jié)點(diǎn)之間支持75M距離傳輸。在短距通信中，可以不使用路由器節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸采用兩種節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)(Coordinator)節(jié)點(diǎn)和終端(Route)節(jié)點(diǎn)。其中，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)為中心節(jié)點(diǎn)，與PC機(jī)相連，負(fù)責(zé)發(fā)送PC機(jī)數(shù)據(jù)和接收來自溫度采集模塊的信息；終端節(jié)點(diǎn)與單片機(jī)相連，負(fù)責(zé)發(fā)送溫度采集模塊的信息和接收PC機(jī)數(shù)據(jù)。2個(gè)模塊可以實(shí)現(xiàn)上電自動組網(wǎng)，Coordinator節(jié)點(diǎn)自動給所有的節(jié)點(diǎn)分配地址，不需要用戶手動分配地址，具有斷電自動保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，而且極易拓展，由于終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備配置方式基本一致，因此可以依據(jù)現(xiàn)有的終端節(jié)點(diǎn)迅速實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)拓展，新加入的節(jié)點(diǎn)將異步完成網(wǎng)絡(luò)加入和重構(gòu)，且當(dāng)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，ZigBee模塊可以迅速重新架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的正常通訊。
    DRF1605可以形象的理解為“無線的RS232連接”，簡單易用，不用考慮ZigBee協(xié)議，串口數(shù)據(jù)透明傳輸。有兩種數(shù)據(jù)傳輸方式：Coordi nator節(jié)點(diǎn)從串口接收到的數(shù)據(jù)會自動發(fā)送給所有的節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)從串口接收到的數(shù)據(jù)，會自動發(fā)送給Coordinator節(jié)點(diǎn)；也可以通過串口在任意節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷綖椋?xFD(數(shù)據(jù)傳輸命令)+0x0A(數(shù)據(jù)長度)+0x73 0x79(目標(biāo)地址)+0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0X10(數(shù)據(jù)，共0x0A字節(jié))。
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3 AVR單片機(jī)控制模塊
    AVR單片機(jī)控制模塊由2部分組成：單片機(jī)最小系統(tǒng)以及DS18B20溫度采集模塊，如圖3中虛線框所示。其中，單片機(jī)系統(tǒng)的RX、TX兩個(gè)引腳和ZigBee模塊的TX、RX引腳相連，負(fù)責(zé)UART的通訊。單片機(jī)的PCI引腳與DS18B20的數(shù)據(jù)端相連，接收來自溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)。此外，單片機(jī)上的PA0和PA1兩個(gè)引腳分別引出，用來指示不同的溫度控制響應(yīng)。

3．1 溫度采集模塊
    溫度采集模塊由溫度傳感器DS18B20構(gòu)成。由于DS18B20采用1-WIRE數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，僅使用1根數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)芯片的雙向通訊(包括傳輸溫度信息)，接線方便，非常適用于農(nóng)業(yè)大棚、潔凈室、機(jī)房等多種非極限測溫場合。設(shè)計(jì)采用寄生電源供電方式，電路連接如圖4所示，由ATMega16的PCI采集溫度數(shù)據(jù)。

    DS18B20的內(nèi)部有64位的ROM單元和9字節(jié)的RAM單元。64位的ROM包含了DS18B20唯一的序列號，因此DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多至階DS18B20可以同時(shí)存在一條總線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫，由ROM讀取操作來判斷選擇某點(diǎn)的DS18B20溫度數(shù)據(jù)。在9字節(jié)RAM單元中，字節(jié)0-1是溫度寄存器，用來保存轉(zhuǎn)換好的溫度，共16bits。其中，bit0-bit7為LSB，分別保存權(quán)值為2-4至23的數(shù)據(jù)；bit8-bit15為MSB，bit8-bit10保存權(quán)值為24至26的數(shù)據(jù)，bit11-bit15為符號位，DS18B20的分辨率為0．0625，溫度計(jì)算公式為：temperature=(MSB+LSB)×256x0.062。DS18 B20內(nèi)部還有2個(gè)E2PROM字節(jié)TH和TL，用于配置溫度最高界限和溫度最低界限，用戶通過設(shè)置這2個(gè)寄存器的值可以設(shè)定溫度報(bào)警的上下限。
3．2 單片機(jī)控制系統(tǒng)
    單片機(jī)控制系統(tǒng)使用Atmel公司的ATMega16L芯片作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集、串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，以及根據(jù)上位機(jī)的設(shè)定溫度和當(dāng)前溫度比對結(jié)果做出加熱或降溫響應(yīng)。數(shù)據(jù)傳輸和溫度信號采集部分的主要程序如下。
    1 UART數(shù)據(jù)接收模塊

    利用單片機(jī)內(nèi)部自帶的接收中斷來完成數(shù)據(jù)接收模塊。在此之前，需要對UART寄存器進(jìn)行如下配置：異步模式、8位數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)位、1位停止位。波特率設(shè)置函數(shù)為：UBRRL=(CRYSTAL／BAUD／16-1)％256和UBRRH=(CRYSTAL／BAUD／16-1)／256。
    2 UART數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

    當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用字符發(fā)送函數(shù)時(shí)，會先判斷發(fā)送寄存器是否為空，如果為空，則函數(shù)會向UART的I／O數(shù)據(jù)寄存器UDR寫入待發(fā)送的字符，格式為char型(8bits)。單片機(jī)接收到來自DS18B20的溫度數(shù)據(jù)，分別取出溫度的整數(shù)位和小數(shù)位，添加小數(shù)點(diǎn)后，將所有的整數(shù)位和小數(shù)點(diǎn)后兩位數(shù)據(jù)發(fā)送給UART。溫度數(shù)據(jù)以字符數(shù)組的形式保存，因此發(fā)送時(shí)以字符串的形式發(fā)送數(shù)據(jù)。
    3．DS18B20溫度數(shù)據(jù)接收模塊
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    完成對DS18B20的報(bào)警溫度的設(shè)置和當(dāng)前溫度的讀取。單片機(jī)與DS18B20的通訊，一般需要經(jīng)過3個(gè)步驟：(1)DS18B20復(fù)位；(2)執(zhí)行ROM指令，對于總線上掛接多個(gè)DS18B20的情況，通過讀取ROM里的序列號來匹配某個(gè)DS18B20，否則可以直接跳過ROM指令(0XCC)；(3)執(zhí)行DS18B20功能指令(RAM指令)。DS18B20有2個(gè)常用的功能指令：0x44：開始轉(zhuǎn)換溫度，轉(zhuǎn)換好的溫度會儲存在暫存器字節(jié)0和1；最小頻率不得小于750ms。0xBE：讀RAM指令，依次讀取RAM的9個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。DS18B20復(fù)位可以終止此進(jìn)程。

4 上位機(jī)GUI監(jiān)控模塊
    該模塊是基于WINDOWS系統(tǒng)開發(fā)的上位機(jī)程序，通過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的API函數(shù)與主機(jī)RS232底層端口進(jìn)行通訊和捕獲用戶輸入。用戶可以通過用戶UI界面自行設(shè)定預(yù)設(shè)溫度值，通過主機(jī)RS232端口發(fā)送至ZigBee模塊；ZigBee模塊將接收來自ROUTE終端節(jié)點(diǎn)的溫度信息，并反饋至上位機(jī)程序。用戶界面的設(shè)計(jì)采用跨平臺的圖形用戶界面應(yīng)用程序QT軟件，采用第三方開源qextsertalport類，對串口進(jìn)行讀寫操作。在WINDOWS下，需要使用其中的6個(gè)文件：qextserialbase．cpp和qextserialbase．h，qextserialport．cpp和qextserialport．h，win qextserialpo rt．cpp和win qextserialport．h定義的API接口函數(shù)，具體如下。
4．1 建立串口
    serialPort=new ManageSedalPort；
    connect(serialPort，SIGNAL(newDataReeeived(const QByteArray&))，this，SLOT(slot_new DataReceived(const QByteArray&)))；
    基于ManageSerialPort類新建一個(gè)串口對象serialPort，包含對串口名、波特率、數(shù)據(jù)位、起始位、停止位、校驗(yàn)位等變量的定義以及設(shè)定這些變量的相關(guān)函數(shù)。第二條語句是一個(gè)信號連接槽的函數(shù)，將serialPort的信號SIGNAL與槽SLOT相連接，在這種情況下，每當(dāng)發(fā)送這個(gè)信號的時(shí)候，就會自動調(diào)用這個(gè)槽。
4．2 打開串口

    包括了對串口常用參數(shù)：串口名、波特率、數(shù)據(jù)位、起始位、停止位、發(fā)送接收使能等的設(shè)置。
4．3 發(fā)送數(shù)據(jù)
    serialPort->scndData(temp)；
    調(diào)用對象sendData，將變量temp的數(shù)據(jù)通過串口RS232發(fā)送。通過返回值來指示發(fā)送狀態(tài)：1表示數(shù)據(jù)發(fā)送成功；2表示未打開串口；3表示發(fā)送使能但無發(fā)送數(shù)據(jù)。主要用于發(fā)送預(yù)設(shè)溫度值，UI界面接收到用戶設(shè)定的預(yù)設(shè)溫度后，將其保存，并在用戶按下發(fā)送按鈕后，將數(shù)據(jù)通過RS232串口發(fā)送給ZigBee模塊。
4．4 接收數(shù)據(jù)
    QString decodedStr=in．readAll()；
    這里rcadAll()函數(shù)是使用在槽slot_new DataReceived(const QByteArray&dataReeeived)中負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)接收的操作函數(shù)，由于之前在串口定義時(shí)，已經(jīng)將信號與槽函數(shù)關(guān)聯(lián)，因此，當(dāng)串口緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)時(shí)，會自動調(diào)用此槽函數(shù)，進(jìn)行讀串口操作，并通過readAll()函數(shù)讀取串口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)(即來自單片機(jī)DS18B20的溫度數(shù)據(jù))，給臨時(shí)變量decodeStr。
4．5 串口關(guān)閉操作
    serialPort->close()； -調(diào)用close()子函數(shù)關(guān)閉串口對象
    設(shè)計(jì)后的用戶UI界面如圖5所示，左部分為通信串口的設(shè)置，串口和波特率均可調(diào)整，默認(rèn)使用COM1、38400波特率；中部為系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度；右部為系統(tǒng)數(shù)據(jù)返回，當(dāng)接收到來自串口的溫度數(shù)據(jù)后，歡迎界面將顯示系統(tǒng)當(dāng)前溫度。

5 結(jié)語
    基于ZigBee模塊設(shè)計(jì)的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)，具有ZigBee技術(shù)的低復(fù)雜度、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于ZigBee模塊的高集成化，用戶不需要了解復(fù)雜的ZigBee協(xié)議，所有的ZigBee協(xié)議的處理部分，在ZigBee模塊內(nèi)部自動完成，用戶只需要通過串口傳輸數(shù)據(jù)即可，研發(fā)周期短，滿足了產(chǎn)品快速入市，適應(yīng)市場快速變化的需求，通過分置在多個(gè)地點(diǎn)的ZigBee溫度采集模塊，可以方便的實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布式溫度信號的采集。