基于ZigBee的温度监控系统

摘要：为了解决恶劣环境下的线路布置不便及其维护困难等问题，给出了一种基于ZigBee的无线温度监控系统的设计方法。该系统采用Remo DAQ-8000作为温度传感和控制平台，ZigBee无线通信为无线通信网络。通过5组基于ZigBee的温度监控实验，获得了第一手资料，从而实现了无线监控；同时，该系统可在局域网内，采用C／S和B／S两种方式进行控制和查询。实验表明，采用ZigBee无线通信代替传统的有线通信，可在过程控制领域产生重要影响。
关键词：ZigBee；RemoDAQ-8000；无线监控；C／S；B／S

0 引言
传统温度控制系统通常需要进行人工实时测量，或者从监控室铺设电线到现场进行监控，这样不仅费时费力，而且存在电线易腐蚀以及维护不便等困难。无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)是一种由传感器节点构成的网络，能够实时检测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息(如光照强度、温度、湿度、噪声和有害气体浓度等物理现象)，并将这些信息处理后，以无线方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦查、环境监测、工业生产控制、智能家居、医疗护理以及商业等领域有着非常广阔的发展前景。
ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，完整的协议栈只有32 KB，可以嵌入各种设备之中，同时支持地理定位功能。以上功能决定了ZigBee技术非常适合于应用在无线传感器网络中。
本文设计了一种基于ZigBee的无线温度监控系统。该系统采用RemoDAQ-8000过程控制平台为温度控制平台，该平台外接pt-100温度传感器，CC2530终端节点通过RS232串口与过程控制平台相连接，以将采集的温度数据经无线方式传给CC2530协调器节点。协调器节点通过RS232串口与PC机相连，在PC机上显示当前的温度数据和实时曲线，并将数据存储到后台数据库服务器中，以便在局域网内通过浏览网页的方式查看温度数据，从而为相关人员的决策提供理论依据(例如调整温度)。

1 系统总体设计
ZigBee是基于IEEE 802．15_4标准的低功耗局域网协议，具有近距离、低功耗、低成本、低数据速率、低成本等特点。ZigBee支持全球统一无需申请的2．4 GHz频段，具有三种拓扑结构——星形、树形、网状形，每种拓扑结构都有各自的特点，用户可按需求进行选择。
整个无线温度监控系统包括CC2530测温终端、CC2530协调器节点、显示终端以及网站服务器。CC2530可以实时采集测温终端RemoDAQ-8000实验平台的温度数据，并将温度数据无线发送给CC2530协调器节点。协调器节点通过串口与上位机进行通信，同时在上位机中进行相关数据处理，并将处理后的数据存储在后台服务器中。这样，用户就可通过局域网上位机(B／S)进行查询和控制，或通过局域网网页浏览(C／S)进行查询，其系统结构如图1所示。

2 系统硬件设计
CC2530测温终端由RemoDAQ-8000温控实验平台、CC2530终端节点、ZigBee无线通信、微处理器模块等组成，可用于对待测点的温度进行采集，并通过无线方式将温度数据发送给协调器节点。CC2530协调器节点由微处理器和无线通信模块组成，它的作用是通过RS232将接收到的数据传送给PC机进行处理和显示。RemoDAQ-8000温控实验平台由R-8520、R-8036、R-8065、pt-100和电源模块等五部分组成。其中，R-8520的作用是实现RS232电平和RS485电平的相互转换；R-8036的作用是将采集到的温度模拟量转化为数字量；R-8065的作用是实现pt-100与电热杯的加热与停止；pt-100相当于温度传感器，其测温范围为-500～1 200℃，温度越高，电阻越大。上述模块结构图如图2所示。

2．1 数据采集模块
数据采集采用pt-100铂电阻温度传感器，该传感器阻值随温度的升高而上升。当外界温度为0℃时，其阻值为100 Ω；当温度为100℃时，其阻值为138．5 Ω。测温范围为-500～1 200℃。
温控箱通过三线制与pt-100相连接，温控箱内集成有A／D转换模块，可提供9～12位的转换精度，可直接将外接温度信号转换为数字量温度信号，并具有操作简单、精度高、响应时间短等特点，十分适合于温度检测。
2．2 ZigBee无线通信模块
该模块采用TI公司的CC2530，基于IEEE802．15．4标准的低功耗个域网协议，工作于全球免执照申请的2．4 GHz频段，数据传输速率为250 kHz。此模块同时提供有串行外设接口(SPI)，可以使MCU与外围设备以串行方式进行通信，以交换信息。SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，因而简单高效。SPI接口包含以下4种信号线：
MOSI——主器件数据输出，从器件数据输入；
MISO——主器件数据输入，从器件数据输出；
SCLK——时钟信号；
／SS——从器件使能信号，由主器件控制。
2．3 微处理器模块
该模块采用51系列80C52单片机。采用Intel公司的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，具有低功耗的特点，属于80C51增强型单片机版本，同时集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多功能，十分适合于自动控制领域。80C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8 KB片内存储器ROM、32个双向输入输出I／O口、3个16位定时／计数器和5个两级中断结构，带有一个全双工串行通信口以及片内时钟振荡电路。
80C51单片机芯片与RS232串口通信选用工作电压为3．3 V的MAX232电平转换芯片。由于终端节点分散，需采用电池供电，并且需低功耗，因此，本文使用5 V电池供电，并通过LMS117稳压芯片将5 V转换为3．3 V，从而使终端节点具有更好的灵活性和可移动性。

3 系统软件设计
整个系统的软件设计包括数据采集、温度控制、上位机显示和监控三个部分。其中，数据采集软件程序运行在CC2530终端节点上，主要任务是对温度数据进行采集和无线转发。温度控制软件程序运行在CC2530协调器节点上，主要任务是对数据的接收和通过上位机对终端节点发送控制指令，如采集温度、加热等。编程语言均在TI的Z-Stack协议基础上运用C语言进行编程。上位机软件运行在PC机上，以控制节点工作状态，并对节点发送来的温度数据进行处理和显示，同时将这些数据存储到服务器当中，以便为管理者决策提供依据。
3．1 终端节点软件设计
首先是对终端节点上电，进行初始化工作，包括对单片机端口初始化、串行数据接口初始化、CC2530内部存储器初始化等。其中，CC25 30初始化主要是寻找信道、选择PANID、选择源地址等。网络建立后，如果收到协调器节点的指令，则开始采集温度，并将温度无线发给协调器，否则处于休眠低功耗状态。当协调器所发温度大于环境温度时，电热杯加热，直至与所设温度大致相同为止；当协调器所发温度小于环境温度时，电热杯不工作。终端节点软件的流程图如3所示。