基于Zigbee无线通讯协议的温度控制系统分析

孙 蔚

(陕西工业职业技术学院信息工程学院,712000)

基于Zigbee无线通讯协议的温度控制系统分析

孙 蔚

(陕西工业职业技术学院信息工程学院,712000)

近些年来，无线技术凭借着其绝对的优势在我国得到了快速的发展，不仅对人们的工作，更是对人们的生活带来了便利，与其相比，有线技术的发展则不是十分明显。与此同时，我国的温控技术也在经历了一系列的发展与变革之后在人们的生活中扮演着重要的角色。

Zigbee技术；温控器；设计

1 Zigbee技术简介

Zigbee技术是最近几年才随着无线技术发展起来的，该技术具有多种优点，如能耗低、成本低以及应用简单等，其通信标准为IEEE802.15.4。通常情况下人们都将这一新兴的技术应用在电子设备、无线数据采集以及医疗器械的控制等多个场合。Zigbee拥有多种通信方式，温控系统的结构与功能不同，所选用的通信方式也有所不同。Zigbee技术是借助IEEE地址实现通信的，少数情况下会借助短地址。直接通信具有稳定性强的优点，本文在设计过程中选择了直接通信方式来实现传感器与控制模块之间的关系。

2 常见温控器基本原理与运行模式

2.1 常见温控器基本原理

从整体上看，温控器没有与其他系统进行联系，而且是闭环的。温控器通常包括四大部分，即冷热切换装置、温度设定机构、温度传感器以及三速开关，基本原理则是通过温度传感器获得室温，再将其和之前的设定值作比较，最后再将结果发送至控制模块。控制模块的主要作用就是发出控制指令，对热、冷水循环管路电动水阀的开关进行控制，这一过程是通过转换盘管内水流的循环情况来得以实现对冷水与热水的控制的。如果室内的温度小于用户提前设定的温度，那么加热阀门就会打开，当室内温度再次与设定的温度相同时，阀门将会关闭。但是通常情况下这一过程往往会造成资源的浪费，这是因为对室内的温度进行采集时常常会出现滞后效应，使得设定点附近出现比较大的冲击。

2.2 常见温控器运行模式

现今，智能风机盘管温控器是人们使用最多的一种，而绝大多数的温控器则是用户手动选择温度来实现对温控器的控制，并且按照用户的自我意识来进行调节。但是事实上这种控制方式有两大弊端，其中的第一个弊端就是对人的依赖性太强。第二大弊端就是当用户离开温控器时，温控器理应停止工作或者被控制在一个比较大的设定区域中，而且当长时间保持在这一控制范围时，往往会使用户承担很多不必要的资金浪费。所以，本文采用了可编程控制模式，将一星期内的每天都分为四个不同的时段，并且在不同的时段根据用户的需求对室内的温度进行人为的控制。

3 无线温控系统设计与实现

3.1 无线温控系统功能需求

无线温控系统网络的应用领域以智能家居居多，它是通过智能温度传感器来了解当时室内的温度信息的，之后的原理与温控器大同小异。通常情况下这一系统由输出控制模块、协调器、温度

传感器以及路由器几部分构成。不论是系统中的温度传感器模块还是所有的控制模块，都安装了无线收发组件。系统对这些无线收发组件主要有两个功能的需求，其一为严格按照Zigbee无线通信协议来接收或者向其他系统传输数据，其二则为在室内的条件下要将发送距离保持在30m以上。

3.2 无线温控系统硬件设计

3.2.1 RZ200开发模块简介

本文将Atmel公司设计推出的RZ200系列当作本次研究的参考案例，以此来完成对Zigbee无线通讯模块的设计。该无线模块的电源采用两节7号电池，由六部分构成，即①电源开关；②AVR Atmega1281V主控制器；③三个LED指示灯；④两个扩展的和显示板的接口；⑤测试按键；⑥AT86RF230无线传输芯片和PCB天线。

3.2.2 温控器主板部分硬件设计

3.2.2.1 主板功能框图

温控器的主板部分一般由四大部分构成，即控制模块、电源模块、用户模块以及温度采集模块，本文为尽可能的降低管理费用，把传感器模块与控制模块设计在同一主板上。

3.2.2.2 关键器件选择

在选择器件时首先是LCD方案设计的选择，由于温控系统对外观的要求非常高，所以在选择过程中要做到慎重和全面。严格按照设计的需求来进行，同时还要满足不同客户的不同要求，尽可能的选择最合理的设计方案。其次在选择单片机时本文使用了Atmel13290PV单片机，并将其当做系统的主控器。最后，由于绝大部分的其他温控器产品都将AVR系列单片机当做了系统的主控器，所以本文将Atmegal3290当做了主控制芯片，以便尽可能的发挥出其他功能的作用。

3.2.2.3 原理设计

在采集温度的过程中，本文选择了NTC20K的热敏电阻，如果室内温度发生了或大或小的变化，那么RT1阻值也会发生相应的变化，这就实现了对管脚处电压的控制。随后再借助转换内存内部的A/D，来获知温度值的详细信息。此外在按键输入端口设计过程中，选用了外部中断的方式来捕捉按键触发，而且这几个端口都与PBO联接了起来。

3.3 无线温控系统软件设计

由于节点在使用过程中对通用性有较高的要求，所以在闭合电源后需要借助拨码开关来判断子节点号，同时还要检查其是否还具有自身功能。子节点的功能通常有数据的采集、存储以及数据的发送等。通过观察开关的状态来判断节点应完成的具体运行工作。无线通讯模块往往会消耗很多的能量，因此CPU会在较长的一段时间内都保持在休眠状态，这就需要借助各个级来唤醒CPU，并对无线通讯模块的运行进行恢复。

4 无线温控系统的实现

4.1 Floating控制技术实现

Floating控制通常是指借助继电器实现对阀门的控制，其操作过程一般是改变继电器的开关时间来改变管道中断饿热水与冷水的流量。本文所采用的控制方式为PI增量式计算方法，以此来获知输出的流量的相应的增量。其控制流程主要包括①根据测试结果掌握执行器“时间-位置”的相关信息；②根据对阀测试结果来获知“位置-流量”的特性信息；③结合上述两个测试结果来回归出Flow-Time的曲线方程。

4.2 编程运行模式的实现

本文为尽可能的减少能源的耗费，特别增加了编程运行模式，而且为了进一步达到节约能源的要求，本文配置了相应的时段与设置点温度。例如将温控器配置在用户的卧室中，由于用户在周一到周五五天中的在11:00-1:00与18：00-22：00时段通常都不在家，所以将这两个时段设置成较低的温度点。在寒冷的冬天的周末或者晚上，用户通常都会在家，因此可以设置成十分舒服的温度点。本文在编程模式中特别设置了两种状态，即保持状态与临时工作状态，前者是指当对系统执行了从临时工作状态切换到保持工作状态的命令后，系统会在之后的一段时间内保持用户所设定的温度点。此外，用户若突发性的想要改变之前设定好的温度点，就可以选择上、下键来做出相应的调整。

5 总结

目前我国的无线网络技术发展十分迅猛，促进了我国经济的发展，与此同时FCU温控器也日渐发展了起来，但是在发展中仍然在技术方面有所不足。本文讲解了Zigbee技术与其构成，并系统介绍了常见温控器的基本原理与运行模式。与此同时，本文还对无线温控系统的软硬件进行了设计与实现。但是本文也存在一些不足，如在对Zigbee进行无线模块的测试过程中，为测试所提供的环境过于简易，会对数据传输的稳定性产生负面影响。Zigbee技术具有多种优点，其应用领域也在日渐扩大，我们有充分的理由相信，Zigbee技术将会在未来的时间里有更加快速的发展。

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Analysis Report Based on Temperature Control System of Zigbee Wireless Communication Protocols

Sun Wei
(College of Information Engineering, Shaanxi Polytechnic Institute,712000)

In recent years,wireless technology by virtue of its absolute advantage in China has been rapid development,not only for the people's work,but is brought convenience to people's lives,rather compared to the development of cable technology is not very obvious.At the same time,China's temperature control technology has undergone a series of development and change in people's lives after play an important role.

Zigbee Technology;Thermostat;Design

课题编号ZK13-37