基于Zigbee的温度监测系统的研究

张洪波

（海装航空技术部 北京 100071）

基于Zigbee的温度监测系统的研究

张洪波

（海装航空技术部 北京 100071）

文中介绍了一种基于Zigbee技术的温度监测控制系统，并对系统的整体设计进行了分析研究。该系统中的Zigbee网络采用了星形结构并且运用了CC2430芯片和DS1820温度传感器相结合，从而实现了环境温度的稳定实时监测，并且通过PC机对采集的温度数据进行显示和保存。该系统实现了实时监测、安装方便、结构简单、运用灵活并且低功耗的特点。

Zigbee；温度监测；CC2430；DS1820；传感器

环境温度不仅仅关系到工业、农业的生产，也关系到军事领域，在军事仓储、技术阵地环境监测中，温度控制是主要的被控对象，环境的情况直接影响着武器装备的技术状态。目前温度监测系统存在布线麻烦、受干扰程度强等问题。为了解决以上问题并且提高温度监测的精确性，本文采用了Zigbee无线传感器网络，它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络以及无线通信和分布式信息处理技术[1]，以CC2430芯片为核心，通过DS1820温度传感器协同完成环境温度的实时监测和采集，再将信息通过无线方式传送，并且以自组多跳的方式传送到用户终端PC机上进行显示，在军事仓库以及技术阵地的温度检测中，可以实现监测更加精确，安装更加方便、灵活。

1 系统构成

该温度监测系统主要由微处理器模块、传感器模块和无线接收模块3大部分组成。其中温度传感器模块和无线接收模块是系统的采集节点，它主要负责采集环境温度数据以及数据的转换并且进行传送；微处理器模块和无线接收模块构成系统的主节点，它主要实现建立ZigBee 网络和接收采集节点发送出的数据，并且控制温度检测采集，再把数据再通过PC 机的连接接口发送到PC机上，直接实现通过PC机进行显示，最后在PC机中进行数据的保存和处理。图1是温度监测系统结构框图。

图1 温度监测系统结构框图Fig. 1 Temperature monitoring system

2 硬件设计

ZigBee是ZigBee联盟在IEEE802.15.4定义的物理层（PHY）和媒体访问空间控制层（MAC）基础之上制定的一种低速无线个域网（LR-WPAN）技术规范。ZigBee可以根据不同的工作频段，数据传输速率不同，都处于较低的速率[2]；由于ZigBee技术的传输速率低，传输的数据量小，所以信号的收/发时间短，并且在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式，低功耗；ZigBee通信延时以及从休眠状态激活的时间非常短；成本低、可靠数据传输、大容量网络，这些都是ZigBee所具备的特点。

ZigBee有3种拓扑结构：星形拓扑结构、网状网络拓扑结构和簇状树形拓扑结构[3]。本设计中采用的是星形拓扑结构，系统中所有的终端设备都与唯一的中央控制设备——PAN协调器通信，即主节点和若干个采集节点组成。PAN协调器安装于温度检测控制室，直接负责Zigbee网络的建立和管理，并且将温度数据直接通过LCD显示，再传送到计算机中，由操作人员进行观察与记录。

2.1 主节点

本系统采用CC2430芯片，它整合了业界领先的2.4GHz IEEE802.15.4/Zigbee RF 收发机CC2240以及工业标准的增强型8051MCU的卓越性能，还包括了8KB的SRAM、大容量闪存以及许多其他的强大特性[4]。系统中的MCU直接采用CC2430自带的8051微控制器，它扩展了18个中断源，而且每个机器周期的一个时钟周期都与标准8051每个机器周期的12个时钟周期相对应，执行指令时间比标准8051快很多，而且精简了外部设备。CC2430芯片接LCD显示屏，当8051接受到数据处理结束后，发出中断时LCD显示采集的温度数据。键盘输入模块采用的是4×4的矩阵键盘，该输入模块包含了数据输入及功能设定按钮。

CC2430具有极高的接收灵敏度和抗干扰能力；8KBSRAM具备在各种供电方式下的数据保持能力；强大的DMA功能；电源电压范围宽（2.0～3.6 V）；2个支持多种串行通信协议的USART；1个通用的16位和2个8位定时器；21个通用I/O引脚，其中2个具有20mA的电流吸收或电流供给能力；提供强大、灵活的开发工具[5-6]。

系统中CC2430采用内部系统时钟，用16 MHz高频RC振荡器，通过设置特殊功能寄存器CLKCON字节实现。PC机与CC2430之间采用串口通信，运用UART模式与RS232之间连接MAX232转换器，或者可以运用串口转USB口数据线连接与PC机。

2.2 采集子节点

温度传感器采用DS18B20。它具有独特的单线接口方式，在与CC2430连接的时候只需要一条线即可实现双方之间的通讯，其侧量范围为-55 ～125 ℃，固有测温分辨率0.5 ℃；支持多点组网功能；测量结果以9～12位数字量式串行传送，简化了分布式温度传感器的运用；无需外部元件，因为每一个DS18B20含有一个独特的序号，所以多个DS18B20可以同时存在于一条总线上，使得温度传感器放置于不同地方。在本系统设计中，将DS18B20数据线与CC2430的I/O口相连，连接时注意在数据脚加4.7kΩ的上拉电阻。在每一个Zigbee节点处都连接温度传感器DS18B20监测不同地方的环境温度信息。

3 软件设计

本系统采用星形拓扑结构，一个主节点即协调器，这里运用的是CC2430自带的8051微控制器，负责建立网络并且分配地址；温度采集节点负责完成温度的采集并传送到主节点中，再由PC机显示，主要软件部分需完成3大部分：主节点、温度数据采集与处理和数据的无线收发。

图2是主节点流程图。主节点首先建立一个随机的网络ID号，从而网络层向MAC层发送请求建立新PAN，网络层提供了设备加入/退出网络的机制、帧安全机制、路由发现以及维护机制。建网成功之后，温度传感器节点加入到网络中并且被分配16位的地址，系统开始监测采集信息，当接收到采集数据时，LCD进行显示。

图2 主节点流程图Fig. 2 The main nodes flow chart

图3 温度采集节点流程图Fig. 3 Temperature acquisition nodes flow chart

图3为温度采集节点流程图。首先对整个系统进行初始化，再发送请求加入网络信号并且等待主机分配的地址。如果加入网络成功，则进入空闲状态等待调用温度采集程序的温度数据的读取，再将数据发送到主节点，从而循环进行。

PC机的管理软件运用VC++进行编写，为用户提供管理和监控系统的运行，很好的实现友好的人机界面。管理软件主要实现：

1)各节点参数（温度）信号的显示;各节点参数（温度）历史记录；2)实时、动态、直观的显示各控制点的温度曲线图;3)可以显示报警画面：当系统出现故障时，工作人员可以通过画面直观的看到报警信号的工号、报警类型、报警时间和当前值，点击报警项就会切换到报警工号对应的操作界面，工作人员可进行相应的修改，当修改结束后报警可以通过复位键进行复位；4) 历史报告画面：可以查询操作人员的操作记录和操作的详细时间，包括系统的启停、各参数修改前和修改后的值等；5)数据的保存与打印。

4 结 论

本系统设计是基于CC2430和DS18B20的无线测温装置[7]，该系统精简了外设、集成度和可靠性高、成本低、功耗低、体积小而且维护方便，采集的温度数据及时且系统操作灵活、快捷。管理人员可以直接通过上位机PC机直接对系统进行管理和监控，方便的查看温度数据以及参数的设置，应用前景广泛。

[1]李文仲,段朝玉.Zigbee无线网络技术入门与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007.

[2]凌志浩.Zigbee无线通信技术及其应用讨论[J].自动化仪表,2005,26(6):5-9.

LING Zhi-hao.ZigBee Wireless Communication Technique and Its Application Research[J]. Automatic Instrument,2005,26(6):5-9.

[3]宁炳威.基于CC2430的Zigbee网络节点设计[J].电子技术应用,2008,34(3):95-99.

NING Bing-wei.The design of Zigbee network nodes based on CC2430[J].Application of Electronic Technology,2008,34(3):95-99.

[4]郝宪锋,刘广孚.基于Zigbee的工业环境监测网络节点的设计[J].科学技术与工程,2009,9(18):5562-5564.

HAO Xian-feng,LIU Guang-fu.Design of industrial environment monitoring network node based on Zigbee[J].Science Technology and Engineering,2009,9(18):5562-5564.

[5]刘任庆,刘莉娜.基于Zigbee技术的工业无线温度变送器的设计和实现[J].科学技术与工程,2009,42(6):188-190.

LIU Ren-qing, LIU Li-na.Design and Implementation of Temperature Transmitting Instrument Based on Zigbee[J].Science Technology and Engineering,2009,42(6):188-190.

[6]郝永亮,杨铁林.基于CC2430的Zigbee无线通信模块设计[J].机械工程与自动化,2012(4):198-200.

HAO Yong-liang,YANG Tie-lin.Design of Zigbee wireless communication module based on CC243[J].Mechanical Engineering and Automation,2012(4):198-200.

[7]崔京伟,黄灏.基于ARM和ZigBee的无线温度采集系统设计[J].电子科技,2013(4):12-13,16.

CUI Jing-wei,HUANG Hao.Design of wireless temperature acquisition system based on ARM and ZigBee[J].Electronic Science and Technology, 2013(4):12-13,16.

Design of the temperature monitoring system based on Zigbee

ZHANG Hong-bo
（Department of Aviation Technology Support of NED,Beijing100071,China）

This paper introduces a kind of temperature monitoring and control system based on Zigbee technology,and the overall design of the system is analyzed and studied. System in the Zigbee network uses star structure and the CC2430 chip and the DS1820 temperature sensor is combined, realizing stable real-time monitoring of environmental temperature, then the temperature data is displayed and saved through the PC machine. The system has the advantages of convenient installation, simple structure, flexible and low power consumption.

Zigbee; temperature monitoring; CC2430; DS1820; sensor

TN83

A

1674-6236(2014)07-0079-03

2013-08-02稿件编号201308024

张洪波(1967—)，女，北京人，高级工程师。研究方向：信息技术应用。