基于ZigBee的多点温度采集系统设计与实现
基于ZigBee多节点无线温度数据采集系统设计
基于ZigBee多节点无线温度数据采集系统设计
李建飞;王炜
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2012(019)002
【摘要】介绍了一种基于ZigBee技术的多节点无线温度数据采集系统.该系统以CC2530为主控芯片,选用DS18B20作为温度传感器,测温节点将采集的温度数据通过无线的方式发送出去,协调节点以无线的方式接收数据并传送至上位机显示.通过测试表明该系统具有结构简单,功耗低,低成本等特点.
【总页数】3页(P21-23)
【作者】李建飞;王炜
【作者单位】天津工业大学电气工程与自动化学院,天津300387;天津工业大学电气工程与自动化学院,天津300387
【正文语种】中文
【中图分类】P29
【相关文献】
1.基于Zigbee的多路温度数据无线采集系统设计 [J], 丁凡;周永明
2.基于ZigBee的温度数据采集系统设计 [J], 罗俊;朱齐嫒
3.zigBee无线温度数据采集系统设计 [J], 于博;丁高林;郑宾
4.基于ZigBee无线通信的靶标温度数据传输系统设计 [J], 刘美琦;何峰;姜丽辉;左乐;王加科
5.基于ZigBee技术低功耗无线温度数据采集及传输 [J], 吕宏;黄钉劲
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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
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收稿 日期： ０ －１ —１ ２ ９ ０ ０ ６
温度采集 系统结构 图
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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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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基于ZigBee 的多点温度采集系统设计与实现类别：通信网络摘要: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。
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
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温 湿度 传 感 器 Ｓ Ｔ０体 积 小 、 Ｈ １ 功耗 低 ， 是
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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
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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技术的温度采集系统的设计毕业设计论文
毕业论文声明本人郑重声明：1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。
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基于ZigBee和C#的多点无线温度采集系统的研究与设计
基于ZigBee和C#的多点无线温度采集系统的研究与设计作者：陈子杨刘艳艳李媛媛来源：《科学与财富》2017年第26期摘要：不管是工业、农业、军事及气象领域，还是人类生活的环境，都需要对温度和湿度进行测量和控制。
因而，研制可靠且实用的温湿度测量装置显得非常重要。
尤其是要实现大环境中的温湿度测量和自动控制，采用有线网络的方案难以实现。
本文提出采用基于ZigBee 技术的无线温湿度测量与传输的方案，在上位机中采用C#构成多点无线温湿度采集系统，实现对网络采集的数据统一管理和分析。
该系统具有快速展开、稳定可靠、可维护性好等特点。
关键词：温度采集；ZigBee；C#；多点通信1、系统的整体概述该系统通过具有单总线总线接口的温度传感器DS18B20实现对温度的采集，将信号送至ZigBee无线节点，采用ZigBee技术的星型网络拓扑结构，建立了一个主节点，多个从节点的无线网络，从节点采集温湿度数据每隔一定的时间轮流向主节点发送，主节点收到数据之后通过串口将各节点的温湿度数据传给上位机监控界面。
本文选用C#作为开发语言，进行上位机的设计。
2、硬件系统设计2.1、DS18B20 温度传感器DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。
主要根据应用场合的不同而改变其外观。
封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。
耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域【1】。
2.2、CC2530主控芯片CC2530是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案。
这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求【2】。
它结合一个高性能2.4GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。
本科毕业设计论文--概要设计基于zigbee的温度监测系统设计与实现
基于zigBee的温度监测系统设计与实现MainDisplay概要设计修改履历目录1 文档概述 (4)1.1 文档目的和范围 (4)1.2 术语/缩略语 (4)1.3 参考文档 (4)2 模块概述 (4)2.1 模块功能定义 (5)2.2 模块结构 (5)2.3 模块动作时序 (7)3 接口说明 (7)3.1 数据结构定义........................................................................................................ 错误!未定义书签。
3.2 函数 (7)3.2.1 模块间接口函数 (8)3.2.2 模块内接口函数 (12)1文档概述1.1 文档目的和范围该项目主要描述Main LCD显示模块，ZigBee无线数据传输模块，DHT11温湿度数据采集模块，ARM 数据处理模块的外部接口函数和内部实现函数，还有各模块之间的连接。
1.2 术语/缩略语1.3 参考文档列出所参考的式样或者文档等2模块概述项目的开发环境是Keil uVision4 ,采用的开发语言主要为C语言，还有部分汇编语言。
本设计主要分四部分，第一部分是以ARM Cortex-M0 系列的LPC1114为核心处理器；第二部分是以DHT11为温度传感器，用以采集节点处的温度；第三部分是以zigbee（CC2530）为路由器和协调器，路由器用以发送采集到后经过处理器处理后的数据到协调器，协调器再把数据传送到ARM主处理器上；第四部分为显示器模块。
2.1 模块功能定义2.2 模块结构画出模块间结构及模块内结构图。
对于模块内细分的小模块也最好列表说明各小模块的功能。
模块名称模块类型概要说明LCD_Init 接口液晶显示器初始化W25X16_Init 接口W25X16初始化LCD_Clear 接口全屏显示白色UART_init 接口初始化串口接口开启显示器LCD_DisplayOn接口关闭显示器LCD_DisplayOffLCD_XYRAM 接口设置显存区域LCD_SetC 接口设置TFT屏起始坐标LCD_Clear 内部模块清屏TFT内部模块显示字符串LCD_ShowStringLCD_Show_hz 内部模块显示16*16点阵中文delay 内部模块短暂延时内部模块给ILI9325的寄存器写数据LCD_WR_DATALCD_WR_REG 内部模块确定给哪个寄存器写数据LCD_RD_DAT内部模块读取ILI9325的寄存器里的数据A内部模块显示16*16点阵英文字符LCD_ShowChar内部模块显示字数LCD_ShowNum2.3 DHT11模块动作时序DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接受到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度。
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。
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Techniques of Automation & Applications | 43基于ZigBee 的多点温度采集系统设计与实现雷 纯,何小阳,苏生辉(广西大学 电气工程学院,广西 南宁 530004)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。
关键词:无线传感网络;温度采集;ZigBee中图分类号:TP274.5 文献标识码:B 文章编号:1003-7241(2010)02-0043-04Design and Realization of Multi-Node T emperatureAcquisition System Based on ZigBeeLEI Chun, HE Xiao-yang, SU Sheng-hui( School of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004 China )Abstract: A multi-node temperature acquisition system based on wirless sensor network technology is developed to meet therequirements of low power consumption and costs. By using CC2430 as the main controlling chip and DS18B20 as the sensor of temperature acquisition node, the system realizes data acquisition and transformation between main-node and sub-node based on ZigBee protocol, communicated with PC through serial port communication technology, and com-pletes the data processing, storage and display.Key words: wirless sensor network; temperature acquisition; ZigBee收稿日期：２００９－１０－１６1 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[1]。
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 系统整体概述图1 温度采集系统结构图44 | T echniques of Automation & A pplications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。
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P C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。
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图3温度传感器节点连接图Techniques of Automation & Applications | 45 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。
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[2]。
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[3]。
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口编号以图4 DS18B20温度采集流程图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。
4.3 PC机串口通信及监控上位机采用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PictureBox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,重绘实时曲线和图5主从节点组网通信流程图图6上位机软件运行界面坐标轴网格线通过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,尤作者简介：雷纯（１９８０－），男，硕士研究生，研究方向：综合自动化。