基于ZigBee和LabVIEW的无线温度采集系统

山东科技大学电子技术综合实践报告基于ZigBee和LabVIEW的无线温度采集系统专业：电子信息科学与技术班级学号：10级1班1001050934学生姓名：周文凯指导教师：设计时间：2013- 6基于ZigBee和LabVIEW的无线温度采集系统一、设计任务与要求1、完成双机通信；2、从机采集信息发送主机接收并且显示；3、（发挥）上传PC显示控制；4、（发挥）PC建立服务器网络发布；5、（发挥）客户端通过网络访问、控制。

二、方案设计与论证2.总体方案设计温度检测系统有许多共同的特点 环境复杂、测量点多、布线分散、现场离监控地点很远等等。

如果使用一般温度传感器采集温度数据就必须设计信号A/D 转换电路、调理电路以及对应的接口电路，才能将传感器输出的模拟信号转换成数字信号。

再将数字信号送到单片机去处理。

这样，由于外围电路过多会使整个检测系统稳定性不高，系统收集最终数据偏差较大，又由于检测环境的复杂、测量点又多、信号传输距离较远及各种其他干扰的影响，随着时间的推移，检测系统的稳定性和可靠性逐日下降。

所以温度采集系统的设计的关键在于下面三部分：主控单元的设计和温度传感器的选择以及无线模块的选择。

2.1系统方案比较与选择为了更好的实现系统的可靠性与高性价比，我针对以上这些模块分别提出几种方案以供选择。

2.1.1控制器模块比较与论证单片机是本系统的控制核心，其性能的优劣将从根本上影响整个系统的性能。

针对本系统特提出以下二种方案以供选择。

方案一 采用STC89C52八位单片机。

STC89C52单片机的软件编程自由度比较大，可通过编程实现各种算法以及逻辑控制。

并且体积较小、引脚不多、方便安装使用。

可以单独对数字温度传感器DS18B20进行控制，另外STC89C52在工农业控制上也有着比较广泛的应用，编程技术和外围电路的配合使用都相当成熟。

但是使用51或者52单片机该系统的外围电路较多，实际操作比较麻烦，一次只能处理八位数据，计算比较繁琐。

方案二采用TI公司cc2430单片机。

CC2430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2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。

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。

CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间32，64和128kByte来优化复杂度与成本的组合。

CC2430包含一个DMA控制器。

8k字节静态RAM，其中的4k字节是超低功耗SRAM。

32k，64k或128k字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。

CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHz RC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHz RC 振荡器。

综合对比之后选择方案二。

2.1.2温度传感器模块比较与论证温度传感器用来进行温度采集，我们把采集到的数据送到单片机上，单片机处理后把数据通过一个无线模块发送到另一个无线模块。

所以在这个系统中温度传感器的作用是至关重要的。

我们需要做到数据采集的准确，并且能够保持系统的稳定。

有以下几个方案可以供选择。

方案一 采用热敏电阻，可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围。

但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差。

对于检测1摄氏度的信号是不适用的。

方案二 采用单片模拟量的温度传感器，比如AD590,LM35等。

但这些芯片输出的都是模拟信号，必须经过A/D转换后才能送给单片机，这样就使得测温装置的结构较复杂。

另外，这种测温装置的一根线上只能挂一个传感器，不能进行多点测量。

即使能实现，也要用到复杂的算法，一定程度上也增加了软件实现的难度。

方案三 采用DS18B20来测量待测电的温度，数字温度传感器DS18B20输出的信号全数字化。

方便单片机处理及控制，省去传统的测温系统的很多外围电路。

且该芯片的物理化学性都很稳定，它能作为工业测温元件。

此元件线性度好，在0℃到100℃时，最大线形偏差小于1℃。

DS18B20的最大特点是单总线的数据传输，由数字温度计DS18B20和微控制器构成的温度采集系统，它可以直接输出温度的数字信号。

因此该温度采集系统的结构就比较简单，体积也较小。

综合对比之后选择方案三。

2.1.3 无线模块的比较与论证无线传输模块主要是用于主机和从机之间的数据传输，从机给主机发送温度数据。

方案一 采用红外收发芯片NB9148、NB9149。

NB9148是通用红外遥控发射器集成芯片，该器件与NB9149配合使用可完成10个功能控制。

NB9148采用CMOS 工艺制造，功耗极低，工作电压可在2.5-5.5V之间变化。

NB9148的集成度高 工作时所需外围元件少，其振荡电路只需外接LC或陶瓷震荡器即可起振，并支持多键组合。

方案二 采用nRF2401无线模块。

无线芯片nRF2401是单片射频收发芯片 工作于2.4GHz、ISM频段，芯片内嵌晶体振荡器、地址解码器、时钟处理器、调制器、低噪声放大器、GFSK滤波器、功率放大器和频率合成器等功能模块，通信频道和输出功率可通过程序进行调配。

芯片能耗相当低，以-5dBm的功率发射的时侯，工作的电流只有10.5mA，接收的时侯工作电流只有18mA。

该无线模块有多种低功率工作模式，设计节能而且使用更为方便。

方案三采用ZigBee无线自组织网模块。

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。

根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。

主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

ZigBee模块是已经包含了所有外围电路和完整协议栈的能够立即投入使用的产品，已经经过了厂家的优化设计，和老化测试，有一定的质量保证。

优秀可靠的zigBee应用“模块”具有在硬件上设计紧凑，体积小，贴片式焊盘设计，可以内置Chip或外置SMA天线，通讯距离从100米到1200米不等，还包含了ADC，DAC，比较器，多个IO，I2C等接口和用户的产品相对接。

软件上包含了完整的ZigBee协议栈，并有自己的PC上的配置工具，采用串口和用户产品进行通讯，并可以对模块进行发射功率，信道等网络拓扑参数的配置，使用起来简单快捷。

Zigbee自身的技术优势：①．功耗：在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1个节点工作6～24个月,甚至更长。

这是Zigbee的突出优势。

相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。

②.低成本：通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。

每块芯片的价格大约为2 美元。

③.低速率：Zigbee工作在20～250 kbps的较低速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。

④.近距离：传输范围一般介于10～100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到1～3 km。

这指的是相邻节点间的距离。

如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。

⑤.短时延： Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。

相比较,蓝牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。

⑥．高容量：Zigbee 可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点的大网。

⑦.高安全：Zigbee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。

⑧.免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲)。

Zigbee性能分析：①.数据速率比较低：在2.4GHZ的频段只有250KB/S，而且只是链路上的速率,除掉帧头开销,信道竞争应答和重传，真正能被应用所利用的速率可能不足100KB/S,并且余下的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分.因此不适合做视频之类事情。

②.可靠性：在可靠性方面，zigbee有很多方面进行保证.物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰MAC曾，应用层(APS部分)有应答重传功能。

MAC 层的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。

当zigbee 网络受到外界干扰,无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。

③. 时延：由于zigbee采用随机接入MAC层，且不支持时分复用的信道接入方式，因此不能很好的支持一些实时的业务。

④.能耗特性：能耗特性是zigbee的一个技术优势，通常zigbee节点所承载的应用数据速率都比较低，在不需要通信是,节点可以进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一。

由于一般情况下,休眠时间占总运行时间的大部分，有时正常工作的时间还不到百分之一，因此达到很高的节能效果。

⑤.网络层特性：zigbee大规模的组网能力强，因为zigbee底层采用了直扩技术,如果采用非信标模式,网络可以扩展得很大，为不需同步而且节点加入网络和重新加入网络的过程很快，一般可以做到1秒以内，甚至更快。

bluetooth通常需要3秒，在路由方面,zigbee支持可靠性很高的网状网的路由，所以可以布置范围很广的网络，并支持多播和广播特性,能够给丰富的应用带来有力的支持。

图4.2为zigbee的一个简单的网络架构，其中红色的为协调器，黄色节点为路由器，绿色节点为专用端设备综合考虑后选择方案三。

2.1.4控制显示比较与论证方案一采用LCD12864显示。

LCD12864为一块128X64 点阵的LCD 显示模块，模块上的LCM 采用COG 技术将控制（包括显存）、驱动器集成在LCM 的玻璃上，接口简单、操作方便。