基于ZigBee的多点温度采集系统设计与实现
基于ZigBee的多点温度采集系统设计与实现
（ 广西大学 电气工程学 院 ， 广西 南宁 ５ ０ ０ ） ０ ４ ３
摘 要 ： 针对广 阔空间环境温度采集 系统对功耗及成本 的要求 ， 设计了基 于无线传感 网络技术的多点温度采集 系统 ．以 ＣＣ ４ ０ ２ ３ 为主 控芯片 ， 选用 Ｄ １ Ｂ ０作为温度采集节点的传感器 ， Ｓ ２ ８ 基于 Ｚ ｇ ｅ ｉＢ ｅ协议 栈构建无线网络实现主从节点之间数据 的采集与传输 ， 利用串 口通信技术与 Ｐ Ｃ机通信 ， 并编程 实现数据处理 、存储与显示 。
采集系统 ， 现 了主 从节 点间数 据 的无线 传输 ， 实 同时上
图ｌ
收稿 日期： ０ －１ —１ ２ ９ ０ ０ ６
温度采集 系统结构 图
化技 与 》００ 第２ 卷 期 术 应用 ２１年 ９ 第２
ｓ ｎ ｏ ｆｔｍ ｐ ｒｔ ｒ ｃ ｕ ｓｔｏ ｏ ｅ ｔｅ ｓ ｓｅ ｒ ａｉｅ ａａａ ｑ ｉｉｉ ｎａ ｄ ｔａ ｆ ｒ ｔｏ ｅ ｗｅ ｎ ｍ ａｎ—ｏ ｅａ ｄ ｅ ｓ ｒｏ ｅ ｅａｕ ｅ ａ ｑ ｉｉ ｎｎ ｄ ，ｈ ｙ ｔｍ ｅ ｌｚ ｓｄ ｔ ｃ ｕ ｓｔｏ ｎ ｒｎｓｏ ｍａｉ ｎｂ ｔ ｅ ｉ ｎ ｄ ｎ ｉ
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ＬＥＩＣｈ ， ｕｎ ＨＥ ａ － ａ ｇ Ｓ Ｓ ｎ － ｕｉ Ｘｉ ｏ ｙ ｎ ， Ｕ ｈｅ ｇ ｈ
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基于ZigBee无线通信多点温湿度测量系统的设计
因 图 ３ 软件设计功能模块 广 况¨ Ｂ佚 ｒ ｂ
图 ２ Ｚｇ ｅ 模 块 连 接 电路 ｉ ｅ Ｂ
１ ２ 数 据采 集终端 Ｓ Ｔ Ｏ温 湿 度传感 器 ． Ｈ ｌ
温 湿度 传 感 器 Ｓ Ｔ０体 积 小 、 Ｈ １ 功耗 低 ， 是
一
款高 度 集 成 的温 湿度 传感 器 芯 片 ， 提供 全标
２ 系统软件设计
图 ３所 示 为 系 统 软 件 设 计 功 能 模 块 总 框
图。
３ 系统测试结果
图 ５所 示 为 同 一 数 据 采 集 端 改 变 测 点 位 置， 接受 系 统 实 时 测 量 测 试 结 果 。 图 （ ） 同 ｂ为
一
数 据接 收终 端 软件 设 计 主 要包 括 主程 序 、
（ １ ：６ ｚ ） １ ６—１ ９ ６．
［ ］ 君丽 ， 冀伟 ， ２徐 刘 王志 良， 基 于无 线 网络 的智能 等．
Ｚｇ ｅ 无 线 通 信 技 术 ， 合 基 于 Ｓ Ｄ ３５控 制 ｉ ｅ Ｂ 结 Ｓ １２
监控 系统设计 与实现 ［］ 微计算 机信 息 ，０５ ２ Ｊ． ２０ ，１
０～ ０ ％Ｒ 测 湿 精度 ： ４ ５ Ｒ １ ０ Ｈ， ± ． ％ Ｈ。
（） ａ 测点～温湿 度结果 显示
（ ） 点二温湿度结 果显示 ｂ测
图 ５ 同一数据采集 端实时 测量测试结果
４ 结束语
本 系 统 以 Ｃ ０ １ ３ ０为 核 心 部 件 ， 于 ８５ Ｆ ２ 基
抄表 系统 的 研究 与设 计 ［ ］ Ｊ ．自动 化 仪 表 ，０ ６ ２０ ，
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器的 Ｏ Ｅ Ｌ Ｄ显示模块 以及数字式温湿度传感器 Ｓ Ｔ Ｏ， Ｈ Ｉ 成功 实现 了多测 点 、 同步 温 湿 度 实 时 监
基于zigbee技术的多节点温湿度采集监控系统
Vol.40 No. 10Oct.2019第40卷第10期2019年10月湖南科技学院学报Journal of Hunan University of Science and Engineering基于ZigBee 技术的多节点温湿度采集监控系统刘旭辉潘学文（湖南科技学院电子与信息工程学院，湖南永州425199）摘 要：针对传统的环境釆集系统存在的诸多局限性，本文基于ZigBee 协议栈在2.4GHz 的开放频段上搭建一个无线 传感网络监控系统.该系统主要由温湿度传感器模块、烟雾传感器模块、无线传输模块、串口传输模块和显示模块等组成， 以协调器为中心，采集各个分散终端的温湿度信息并实时显示，从而完成对一片区域的环境监测.系统硬件电路采用了射频 CC2530芯片、DHT11传感器、MQ2传感器和显示屏OLED 12864等关键器件，并完成了软件设计。
经测试，系统能在50 米范围内实现无线温湿度采集和实时显示功能.该系统的优点是使用简单、成本低廉、功能完善，在智慧农业领域有较好的 应用前景.关键词：ZigBee 技术；温湿度采集；多节点中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1673-2219 （2019） 10-0026-031引言当今时代是一个信息技术飞速发展的时代，技术不断地新旧交替，传统的有线网络因为自身的物理局限性，在很多方面 已经越来越不适用了近几年，无线网络技术得到快速发展，已成为一项与人们的生活密不可分的技术了，例如煤矿监 测、农业的环境监测、智能家居等行业都离不开无线传感网络的参与。
ZigBee 作为无线通讯技术的一种，具有低成本、低 功耗、低速率等优点，广泛应用在工业控制、农业生产、智能家居、医疗监护和车载电子等领域°叫随着物联网技术的飞 速发展，ZigBee 技术将会成为更加重要的角色。
本系统包括硬件电路外部模块的设计和软件设计两个方面的内容，其中软件设计主要是对ZigBee 协议栈的编程开发。
基于ZigBee技术的温度采集系统的设计与实现
摘要 ： 在介绍 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ技术的基础上 ， 提 出了一种基于 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ技术的无线 温度采集 系统 的设计方案 ， 详细阐述采集节点 和 传 感 节 点 的硬 件 选 型 和软 件 设 计过 程 。 硬件方 面， 采用 以 Ｃ Ｃ ２ ４ ３ ０为 系统 核 心 芯 片 的 Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ 模 块 作 为无 线 传 感 节 点 ，
以常见 的 Ｄ Ｓ １ ８ Ｂ ２ ０ 传 感器作 为温度 采集端 ， 实现硬件 的连接 ； 软件 方面 ， 通过 对 Ｚ — Ｓ ｔ ａ ｃ ｋ 协议栈 的应 用层进行修 改和 开
发， 实现 温 度 的 测 量 和 无 线 传 输 。
关键词 ： Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ ； 无线 ； 温度 ； Ｃ Ｃ ２ ４ ３ ０ ； ｚ — Ｓ ｔ ａ ｃ ｋ协议栈 中图分类号 ： Ｔ Ｐ ２ ７ ３ ． ５ 文献标 识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３ — １ １ ３ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ０ ４ ５ — ０ ２
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ｉ ｍｐｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｉｏ ｔ ｎ ｏ ｆ ａ Ｔ ｅ ｍｐｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ Ａｃ ｑｕ ｉ ｓ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｂａ ｓ ｅ ｄ Ｏ ｎ Ｚｉ ｇ Ｂｅ ｅ Ｔｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｍａ Ｓ ｈ ｉ ｍｉ ｎ ｇ， Ｘｕ Ｇｏ ｎ ｇ ａ ｏ
（ Ｄ ｅ ｐ ａ ｒ ｔ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ Ｃ ｏ ｍｐ ｕ ｔ ｅ ｒ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｂ ｉ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｂｉ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ ２ ５ ６ ６ ０ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
基于ZigBee技术的温度数据采集监测系统的设计
基于ZigBee技术的温度数据采集监测系统的设计一、概述随着物联网技术的飞速发展，无线传感器网络在工业生产、环境监测、智能农业等领域得到了广泛应用。
温度数据采集作为基础且关键的环境参数之一，对于保障生产安全、提高生产效率、实现智能化管理具有重要意义。
ZigBee技术作为一种短距离、低功耗的无线通信技术，凭借其低成本、易部署、高可靠性等特点，已成为无线传感器网络的主流技术之一。
本文旨在设计一种基于ZigBee技术的温度数据采集监测系统。
该系统利用ZigBee无线传感器网络采集环境温度数据，通过数据传输和处理，实现对温度信息的实时监测和分析。
系统设计注重实用性和可靠性，力求在保证数据准确性的同时，降低成本和提高效率。
本论文的主要内容包括：对ZigBee技术和无线传感器网络进行概述，分析其在温度数据采集监测系统中的应用优势详细阐述系统设计的整体架构，包括硬件选型、软件设计、网络通信协议等方面对系统的关键技术和实现方法进行深入探讨，如数据采集、传输、处理及显示等通过实验验证系统的性能和稳定性，并对实验结果进行分析和讨论。
本论文的研究成果将为无线传感器网络在温度数据采集监测领域的应用提供有益参考，对推动相关行业的技术进步和产业发展具有积极意义。
1.1 研究背景随着物联网技术的飞速发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）在环境监测、工业控制、智能农业等领域得到了广泛的应用。
作为WSN的关键技术之一，ZigBee技术因其低功耗、低成本、短距离、低速率、稳定性好等特点，成为实现WSN的重要手段。
温度数据采集监测系统作为WSN的一个重要应用，通过对环境温度的实时监测，为生产生活提供准确的数据支持，对于保障生产安全、提高生活质量具有重要意义。
传统的温度数据采集监测系统多采用有线方式，存在布线复杂、扩展性差、维护困难等问题。
为了解决这些问题，基于ZigBee技术的无线温度数据采集监测系统应运而生。
(完整版)基于ZigBee的多点温度采集系统设计与实现(毕业论文)
HUNAN UNIVERSITY 毕业设计(论文)设计论文题目：基于ZigBee的多点温度采集系统设计与实现学生姓名：宋强军学生学号：专业班级：通信工程三班学院名称：信息科学与工程学院指导老师：肖玲学院院长：章兢2011 年6 月1 日基于ZigBee的多点温度采集系统设计与实现摘要随着生产技术的发展，温度数据检测技术广泛应用于工业远程控制系统，并逐步显示出远程和网络的特性。
传统的温度采集系统，主要方式是有线连接节点，此方法的特点是布局复杂和可扩展性差。
事实上，在某些领域有线连接方式甚至不能应用。
因此，最理想的方法是采用无线连接收集和传送数据。
作为新兴的短距离，低功耗低成本的无线通信技术，zigbee 已广泛应用于工业控制，消费性电子，家电自动化，医疗监控等领域。
本文在对无线传感器及其网络协议技术分析的基础上，设计出一种基于zigbee为基础的无线温度采集系统。
用基于zigbee网络的无线方式通过温度测量节点收集温度数据。
通过串口通信线路连接主要节点和前端电脑。
然后，电脑存储温度数据至数据库，以便实现数据的统一管理。
论文首先介绍了Zigbee技术研究内容以及无线传感器网络的研究现状。
随后总结了Zigbee技术的优点，接下来对Z-Stack协议栈结构进行了分析。
接着介绍了系统的硬件和软件设计。
首先从硬件方面论述了温度传感器模块、数据汇聚模块的系统构成。
接着论述了系统的软件设计，主要对上位机用户监控界面的设计和温度传感器模块、数据汇聚模块的设计这三部分进行了介绍。
数据汇聚模块实现组建网络、分配网络地址的功能，温度传感器模块实现加入网络、数据采集、数据存储、数据上传、通信、等功能。
关键词：Zigbee，无线传感器网络，多点温度采集，Z-StackDesign and Realization of Multi-Node TemperatureAcquisition System Based on ZigBeeAbstractWith the development of producing technology, monitoring techniques of temperature data are being applied to all kinds of industrial process control systems and gradually showing the feature of far-distant and networking. In the traditional temperature acquisition system, the method to connect nodes is wired, this way possesses the characteristic of complex layout and poor extensibility. In fact, the wired way even cannot be utilized in some application. Therefore, the ideal way to collect and transmit data is employing wireless connection. As a kind of emerging short-distant, low-power consumption and low-cost wireless communication technology, ZigBee , medical monitoring and so on.In this Paper，on the basis of the wireless sensor network Protocol analysis technology，, a kind of temperature acquisition system which based on ZigBee wireless transmission technology is designed in this article, the temperature data collected through the temperature measuring nodes is transmitted to the major-node by ZigBee network in a wireless method,the major-node communicates with the upper computer through the serialport line, thereafter, the PC stores the temperature data into the databasein order to realizing the uniformly control of the data. Firstly, the general research situation in the field of Zigbee and the development trend are reviewed. It also reviews the research content of the WSN. Then the paper discusses the network Structure .Following the paper takes an in-depthstudy of the Z-Stack designed by TI. In the field of ,the structure ofmodules is described in details including the temperature sensor moduleand the data acquisition module .In the software design ,GUI and module’ssoftware are discussed, which includes the formation of networks ,address assignment ,join the network ,data acquisition, data storage ,data upload, communication.Key words: Zigbee, wireless sensor network, Multi-Node Temperature Acquisition ,Z-Stack目录1 绪论......................................................................................................................................1.1无线传感器网络...........................................................................................................1.1.1无线传感器网络概况 ........................................................................................1.1.2无线传感器网络应用现状 ................................................................................1.1.3无线传感器网络未来展望 ................................................................................1.2基于Zigbee技术的无线传感器网络.........................................................................1.3本文主要结构...............................................................................................................2 TI Z-Stack协议栈..............................................................................................................2.1.1 Zigbee协议栈结构............................................................................................2.2 Zigbee网络拓扑结构..................................................................................................2.3 Z-Stack协议栈介绍 ....................................................................................................2.3.1网络寻址.............................................................................................................2.3.2绑定.....................................................................................................................2.3.3路由协议.............................................................................................................2.3.4消息发送函数.....................................................................................................2.3.5网络的组建过程 (1)2.3.6消息接收函数 (1)2.4本章小结 (1)3 系统介绍 (1)3.1系统的整体介绍 (1)3.2系统硬件介绍 (1)3.2.1主要硬件简介 (1)3.2.2温度传感器模块电路原理图 (1)3.2.3数据汇聚模块（协调器） (1)4 软件设计实现 (1)4.1上位机（PC机）监控界面 (1)4.2模块的软件设计 (2)4.2.1数据汇聚模块（协调器）的软件设计 (2)4.2.2温度传感器模块（终端节点）的软件设计 (2)4.3 本章小结 (2)5 总结与展望 (3)5.1总结 (3)致谢 (3)参考文献 (3)1 绪论1.1无线传感器网络1.1.1无线传感器网络概况无线传感器网络与传统的网络不同，它是以数据为中心的自组织无线网络，网络的节点部署密集，网络拓扑结构动态变化。
基于zigbee的温度采集系统.
基于zigbee的温度采集实验作者：姚志强一般而言，无线传感网络具有采集点众多，分布面积广；网络节点间的位置关系不定，节点动态加入或脱离网络等特性。
Z-Stack2007协议栈具有这些实验功能特性。
5.3.1 实验目的与器材1）实验目的本实验将利用Z-Stack2007协议栈构建一个具有实际意义的无线传感器网络。
该网络中具有采集节点和传感节点。
传感节点连接各种传感器，利用传感器获取环境温度、光照等外界信息。
采集节点负责接收该zigbee网络里传感节点的信息，并通过串口上传至PC端的串口助手进行显示。
采集节点，上电启动后负责建立网络，并开启允许绑定功能；传感节点，上电启动后加入网络，并自动发起绑定请求，待采集节点建立绑定后，将传感器节点的外界温度信息和光照信息发送到采集节点上。
为了实验简单，只有一个采集节点收集这些信息，处理后通过串口上传到计算机，可以在串口调试工具上看到，为了提高网络的负载能力，可以增加中心收集节点。
所以我们可以建立星形拓扑网络，协调器是采集节点，终端节点是传感节点。
为了实现上述实验目的，应该做到：◆自动形成一个网络；◆传感器设备必须能自动加入网络，并自动完成绑定；◆如果传感器设备没有从中心节点收到应答，它将自动移除到该中心节点的绑定。
然后它将自动的去发现新的中心节点绑定。
本实验中传感节点具有获取节点内部温度信息、外界温度信息、外界光照信息等功能。
2）实验器材◆4个CC2530开发模块（1个采集器节点，1个路由器，2个传感器节点）；◆2个DS18B20温度传感器；◆2个光敏电阻；5.3.2 实验原理与步骤1）硬件介绍1 温度传感器DS18b20DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种数字化单总线器件。
属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器。
它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。
可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写。
基于Zigbee的多路温度数据无线采集系统设计_丁凡概要
2013年第8期仪表技术与传感器InstrumentTechniqueandSensor 2013No.8基金项目:广东省自然科学基金资助项目(10451200501004408;广东韶关学院校级科研基金资助项目(2010年207号文件收稿日期:2012－08－27收修改稿日期:2013－03－22基于Zigbee 的多路温度数据无线采集系统设计丁凡,周永明(韶关学院物理与机电工程学院,广东韶关512005摘要:针对传统温度采集系统的布线问题,提出了利用Zigbee 技术实现温度数据无线采集的系统方案。
该系统以STM32微控制器和CC2420无线射频芯片作为硬件核心,将采集到的温度数据通过无线传输方式传递到上位机Lab-VIEW ;LabVIEW对采集的信号进行分析和处理,实现温度的实时监测和显示。
与传统有线传输方式相比,系统不仅可扩展性较强、安装维护方便,而且成本低,可广泛用于各种温度数据采集工程中。
关键词:Zigbee ;温度;无线;数据采集中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1002－1841(201308－0072－02Design of Multi-channel Wireless Data Acquisition System Based on ZigbeeDING Fan ,ZHOU Yong-ming(School of Physics and Mechanical ＆Electrical Engineering ,ShaoguanCollege ,Shaoguan 512005,China Abstract :The multi-channel wirless data acquistion system based on Zigbee was introduced ,it replaced the traditional wire-line system．The systmes used STM32and CC2420as the hardware design core ,LabVIEW as software designing platform．Based on Zigbee technology ,the temperature data were transferred wirelessly to the host computer．The LabVIEW analyzed and processed the sampling signals to achieve real-time temperature monitoring and display．Compared with the traditional cable transmission ,the sys-tem can be widely used for various temperature data acquisition project because of its strong extensibility ,low cost ,easy installation and maintenance．Key words :Zigbee ;temperature ;wireless ;data acqusistion 0引言目前,温度数据采集系统大多是通过串口将主控制器采集到温度信息传递到上位机。
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摘要:针对广阔空间环境温度采集系统对功耗及成本的要求,设计了基于无线传感网络技术的多点温度采集系统．以CC2430 为主控芯片,选用DS18B20 作为温度采集节点的传感器,基于ZigBee 协议栈构建无线网络实现主从节点之间数据的采集与传输,利用串口通信技术与PC 机通信,并编程实现数据处理、存储与显示。
1 引言
随着生产技术的提高, 环境温度指标越来越多的影响到生产效率、能源消耗和生活水平。
不管是工业、农业、军事及气象领域, 还是日常生活环境, 都需要对温度进行监测。
因而,设计可靠且实用的温度采集系统显得非常重要。
在传统的温度采集系统中, 节点一般采用有线连接方式, 布线繁琐, 扩展性和可移植性较差。
尤其对于广阔空间环境中的温度采集,如果采用有线方式其成本和功耗都比较高。
而ZigBee 作为一种新兴的短距离、低功耗、低成本的无线通信技术, 能广泛应用于工业控制、消费电子、家庭自动化、医疗监控各种领域。
本文设计了一种基于ZigBee 无线技术的多点温度采集系统, 实现了主从节点间数据的无线传输, 同时上位PC 机采用串口与主节点通信,并建立温度数据库,实现了数据的统一管理。
该系统具有扩展性好、稳定可靠、维护方便等特点。
2 系统整体概述
本文设计的温度采集系统结构如图1 所示。
系统采用ZigBee 星型网络拓扑结构,建立了一个主节点,四个从节点的无线传感网络,实现数据的无线传输。
各个从节点连接数字温度传感器DS18B20 定时采集环境温度,并通过无线传感网
络将数据依次向主节点发送,主节点收到数据后通过串口传给上位PC 机,上位机将采集的数据存入数据库, 对数据进行分析处理, 并在监控界面显示温度实时变化曲线。
图1 温度采集系统结构图
3 系统硬件设计
3.1 主节点硬件设计
选择CC2430 作为主节点的处理器,该芯片是全球首款支持ZigBee 协议的
片上系统(SOC)解决方案,集成了一个8051MCU 内核以及符合IEEE802.15.4 规范的2.4GHz 的无线收发器。
芯片内部有8kb 的RAM,可选32/64/128kB 的Flash 存储单元,包含模拟数字转换器、定时器、看门狗定时器、AES128 协处理器等,同时提供了2 个UART 接口以及21 个可编程I/O 引脚。
该芯片具有高度集成性和丰富的硬件资源,使得外围电路的设计变得十分简单。
主节点是整个网络的协调器,作为全功能设备(FullFunction Device,FFD),负责网络组建和维护、温度采集数据无线接收、与上位PC 机串口通信。
因此采用CC2430-F128(128kB Flash)芯片,并在CC2430 典型应用电路的基础上扩展串行通信接口,选用MAX3232 芯片实现TTL 与RS232 电平转换。
ZigBee 主节点的硬件电路如图2 所示。
图2 ZigBee 主节点电路
3.2 从节点硬件设计
从节点主要负责温度采集和数据无线传输, 可作为简化功能设备(Reduced
Function Device,RFD),以降低功耗和成本。
芯片采用CC2430-F32(32kB Flash),其硬件电路和主节点大致相同, 只是去掉了串口通信电路,同时在从节点芯片的I / O 口上接入多个温度传感器DS18B20 以实现多点温度数据的采集。
DS18B20 是“单总线”数字温度传感器,其测量温度范围为-55℃～+125℃,支持3～5. 5V 电压供电, 主要由四部分组成:64 位光刻ROM、温度传感器、非易失性温度报警触发器和配置寄存器。
ROM 中的64 位序列号出厂前已光刻固化,每个传感器的序列号都是唯一的,因此可以在一根总线上挂接多个DS18B20,能
极大减少I/O 口的占用。
本系统中用DS18B20 进行多点温度采集时,传感器与从节点的CC2430 的连接形式如图3 所示。
图3 温度传感器节点连接图
由于ZigBee 设备功耗很低,并且能设置成定时睡眠模式以进一步省电,而DS18B20 本身功率也非常小,所以本系统中的主、从各节点均采用2 节1.5V 电池供电即可满足实际需要。
4 系统软件设计
4.1 温度传感器数据采集
DS18B20 可设定9～12 位的分辨率,本系统采用12位分辨率,转换精度为0. 0625℃,转换温度信号所需最长时间为750ms。
温度数据由2 字节组成,以符号扩展的二进制补码形式存储,最低4 位是小数部分,中间7 位是整数部分, 1 位符号位。
DS18B20 内部RAM 由9 个字节的高速缓存器和E2PROM 组成,前2 个字节即为温度数据。
通过复位指令、ROM 和RAM 功能命令,即可完成对指定DS18B20温度数据的采集和读取, 所有读写操作都是通过与CC2430 的I/O 口连接的DQ 引脚完成。
在一线制总线上串接多个DS18B20 器件时,需要先发送跳过ROM 指令,将所有传感器都进行一次温度转换,之后通过匹配ROM 依次读取每个传感器的温度
数据,实现对单I/O 口上的多个DS18B20 器件的操作。
整个温度采集的流程如图4 所示。
图4 DS18B20 温度采集流程图
4.2 ZigBee 无线组网及数据通信
ZigBee 通信协议采用分层结构,节点通过在不同层上的特定服务来完成所要执行的各种任务。
本系统采用TI 提供的ZigBee2006 协议栈Z-Stack,在IEEE 802.15.4 标准物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)基础上增加了网络层、应用层和安全服务规范,是一种较好的无线传感网络组建方案。
ZigBee 设备类型按网络功能分为三种:协调器、路由器、终端。
由于本系统采用星型网络拓扑结构,所以只存在协调器和终端两种设备。
本系统中主节点被初始化为网络协调器。
协调器包含所有的网络消息, 存储容量最大、计算能力最强。
它的功能是发送网络信标、建立网络、管理网络节点、存储网络节点信息、收发信息。
从节点被初始化为无信标网络中的终端设备。
上电复位后,即开始搜索指定信道上的网络协调器,并发出连接请求。
建立连接成功后, 从节点将得到一个16 位的网络短地址,并采用非时隙CSMA-CA 机制,通过竞争取得信道使用权,向主
节点发送数据。
各从节点每30 秒读取一次I/O 接口上多片温度传感器数值, 同时开启睡眠定时器,当数据发送成功后该节点立即进入睡眠状态,最大程度地降低功耗, 延长从节点的电池使用时间。
数据包的格式由从节点串接的DS18B20 的数量决定,每个DS18B20 传输的数据长度定义为3 字节,第1 字节为标识符,包括从节点编号,CC2430 的I/O 口编号以及此温度传感器的编号, 后2 个字节为温度采集数据。
主节点收到数据包后, 对数据进行分析处理, 把从节点上的每个温度传感器的数据采集值进行转换,得到实际的温度值,然后发送给上位PC 机。
主从各节点的组网及通信流程如图5 所示。
图5 主从节点组网通信流程图4.3 PC 机串口通信及监控
图6 上位机软件运行界面
上位机采用VB 编程语言编写串口通信及数据库程序,在工程中添加MSComm 控件实现串口传输和接收数据[4]。
使用ADO 对象连接Access 数据库,将当前数据存入数据库中,将控件Pictur eBox 作为容器,实现曲线图的动态显示,此过程涉及到曲线、坐标轴、格线和坐标刻度的消隐和重绘。
消隐的实现主要用背景色重绘曲线和网格线, 并覆盖坐标刻度数字, 重绘实时曲线和坐标轴网格线通过
Li n e 方法来实现, 坐标轴刻度、标签、图标等的标注使用Print 方法实现[5]。
当程序开始运行后, 打开串口, 就可将接收到的实时数据加入到各节点的历史温度数据库,同时可以从运行界面看到历史温度变化曲线。
图表中曲线的最右端为当前温度, 点击节点按钮, 然后选中指定的温度数据框,即可查看对应传感器节点的温度历史数据和变化情况, 软件运行时的界面如图6 所示。
5 结束语
本文设计了一种基于ZigBee 技术的无线温度采集系统,采用CC2430 芯片设计主从节点,硬件结构精简、体积小、能耗低, 所组成的无线传感网络具有自组织,自适应的特点。
通过实验调试,该温度采集系统达到了设计要求,效果良好。
鉴于无线传感网络技术具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好、实现成本低等诸多优点, 可广泛应用于生产生活的各个领域, 尤其适用于数字家庭、智能大厦温度控制、小区安防监测等, 具有较好的通用性和应用前景。