基于ZigBee的现场安全温度在线监控系统

摘要：研制了一套基于ZigBee技术的安全温度在线监控系统。以MCl3213射频SoC为硬件平台，利用ZigBee2007协议栈分别组成了Star和Mesh网络，在上位机监控软件上实现了温度监控与空间定位的功能。测试表明：系统具有O．175℃和1．1045m的精度，功能完善，运行稳定，可扩展性好。
关键词：ZigB3ee；温度监控；空间定位

在工业生产及货物存储等车间现场，由于温度过高而引起的失火或爆炸造成了惨痛的人员伤亡和财产损失，因而迫切需要对其温度进行实时的监控。传统的有线传输不仅因铺线等成本高，而且通信质量及后期的维护更新升级都不佳，因此在生产现场的恶劣环境下不易采用。而基于IEEE 802．15．4协议的新兴ZigBee短距离无线组网通信技术，由于低功耗、低成本、短延时、大容量和高可靠等优点，在监测与控制领域得到了广泛的应用。本系统应用了ZigBee的无线通信技术来实现对生产现场温度的监测，利用ZigBee的组网技术来获取温度事件的时间与地点信息，这样可充分地保证现场的安全生产。

1 系统设计方案
1．1 总体设计思想
为了实现温度监测、时间记录及空间定位3项功能，本系统采用图1所示的设计。整个ZigBee网络包含3种设备：ZigBee协调器(ZigBee Coordinator，ZC)、ZigBee路由器(ZigBee Rotlter，ZR)和ZigBee终端设备(ZigBee EndDevice，ZED)。同时，应用了两种网络拓扑结构：Star(星型)网络和Mesh(网状)网络。

图1中，位于网络外围的4个ZR是作为空间定位的参考节点，主要起中继器的作用，转发来自ZED的RSSI／LQI数据至ZC以实现空间定位；分布在生产环境终端的6个携带温度传感器的ZED，主要实现周期性地检测现场温度的功能，并将温度数据信息分别用LCD实时显示和以无线方式传输出去；处在网络中心的ZC是整个网络的协调控制器，直接与PC机相连，能够利用上位机VB程序提取各ZED的温度数据，并根据4个ZR的RSSI／LQI数据计算出ZED的空间位置信息。
由ZC和6个ZED组成的Star网络(如图1中带双箭头的实线所示)，主要将ZED采集的温度数据无线传输到ZC，从而实现温度监测的功能；而由ZC、ZR和ZED共同组成的。Mesh网络(如图1中的虚线和点画线所示)，主要是获取并传输有关ZED与ZR距离的RSSI／LQI数据，从而运用基于RSSI／LQI的定位原理来实现空间定位的功能。由于无线和串口通信的高速率性，温度数据从ZED传输至ZC再被上位机程序所提取的整个过程时间延迟非常短，因此可将上位机提取到温度数据的那一刻作为事件发生的时间(即ZED检测到现场温度数据的时刻)。
1．2 温度监控的设计
温度监控应用了组网技术中的Star网络拓扑结构，使多个ZED节点和单个ZC进行双向ZigBee无线通信，保证了数据信息的实时传输与获取。其设计方案如图2所示。

系统分别将6个ZED放置在不同的生产车间里或设备上，使ZED周期性地检测现场环境温度，并通过ZigBee方式将温度数据信息传输至ZC；由上位机监控软件提取ZC接收到的温度信息，进行处理后实时地显示在监控界面上，并且通过监控软件自主设定安全温度范围等系统参数，并传输给ZC和ZED，从而达到监控的目的。

2 系统硬件设计
2．1 应用芯片简介
Freescale公司推出的MCl3213是一款可以搭建符合IEEE802．15．4标准的2．4 GHz低功耗收发器平台的集成MCU。它通过内部SPI连接RF和HCS08，具有低功耗、高集成度等优点，同时拥有丰富的外部接口资源。
LM75A是具有高速I2C总线接口的集成数字温度传感器，内部Temp寄存器存放一个11位二进制数的补码，用来在-55～+125℃的温度范围内实现0．125℃的精度。
FT232BL是一款USB接口转换芯片，实现USB到串行UART接口的转换，有多种电路设计方式，配合使用EEPROM可存储USB VID、PID等产品描述信息。
LCDl602是一款内嵌驱动及字符的液晶显示模块。由于MCl3213的I／O数目的限制，其采用4线数据的连接方式，将8位数据分两次各4位地间接传送。
SP3220E为TTL转RS-232的电平转换芯片。
2．2 硬件电路设计
图3为硬件电路的逻辑结构图。

针对系统的低功耗及低成本，根据所要实现的功能在图3的基础上进行筛选。ZED、ZR、ZC分别采用不同的设计电路，其筛选组合的方式如表1所列。

3 系统软件设计
3．1 软件设计思想
为了实现温度监控与空间定位的功能，系统网络中的各类设备须相互通信、协调合作。软件设计思想如图4所示。ZED利用携带的LM75A周期性地检测生产现场的温度，然后在LCDl602上实时显示温度信息以供现场操作，并向ZR和ZC发送温度数据；ZR主要是度量接收ZED数据的RSSI／LQI值，并发送给ZC以达到对ZED空间定位的目的；ZC接收来自ZED及ZR的数据，通过USB／RS-232接口与上位机VB程序及Internet，网络通信，利用上位机监控软件或远程网络，集中在线对整个ZigBee网络的协调和ZED生产现场进行安全温度的监控。