基于WSN的多点无线温度采集系统的设计与实现

程亮亮，张　丽，张忠祥，柴豆豆，鲁世斌

(合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601)



基于WSN的多点无线温度采集系统的设计与实现

程亮亮，张丽，张忠祥，柴豆豆，鲁世斌

(合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥 230601)

[摘要]为了克服传统有线温度测量系统存在的布线复杂度高、系统升级维护不便等缺点，本论文设计并实现了一种基于无线传感器网络的多点温度采集系统。系统以CC2530为控制核心，采用DS18B20温度传感器，基于ZigBee协议栈构建无线传感器网络，实现了多点温度数据的采集，最后利用PC上的应用软件实时显示温度曲线，测试结果表明，方案切实可行，具有一定的实用性。

[关键词]无线传感器网络；ZigBee；CC2530；多点温度采集；DS18B20

传统的温度采集系统主要使用有线传输模式，系统布线复杂，成本较高，对系统的设计、维护和升级都带来了不便。现今，伴随着半导体技术和无线通信技术的快速发展，陆续出现了多种新的短距离无线通信技术。ZigBee技术作为一种基于IEEE 802.15.4协议标准的近距离、低复杂度、低速率、低功耗、低成本的双向无线通信技术被越来越多地应用在工业测量中[1]。ZigBee是基于小型无线网络而开发的通信协议标准，补偿了低成本、低功耗和低速率无线通信市场得空缺[2]。伴随着ZigBee 2007协议的逐渐成熟，它在工业控制、智能家居和商业楼宇自动化方面有较大的应用前景[3][4]。本文设计了一种基于ZigBee无线技术的多点温度采集系统，实现了多节点温度数据的无线传输，并通过上位机软件实时显示温度曲线。

1系统总体方案设计

本设计组建的传感器网络选用星型结构，包含一个协调器节点和四个传感器节点，协调器建立ZigBee无线网络；终端节点自动加入该网络，周期性采集温度数据，并由CC2530芯片集成的RF射频电路将温度数据无线发送到协调器，协调器收到温度数据后，将数据发送给PC，PC上的软件实时绘制当前温度曲线。多点无线温度采集系统结构图如图1所示。

图1　系统整体结构图

2硬件电路设计

2.1协调器硬件电路设计

协调器建立网络并维护，接收四节点的数据后发送到PC，其硬件电路由以下五部分构成：

(1)CC2530主控电路及射频电路：CC2530结合了完全集成的高效射频收发器及增强型8051微处理器，其25和26脚是射频接口，外接分立元件可实现无线收发功能，射频电路部分需满足阻抗匹配要求。

(2)电源电路：协调器由USB接口供电，通过 LM1117低压差线性电源调整器将5V电压转化为稳定的3.3V电压，外接电容电感滤波。

(3)晶振电路：Y1、Y2晶振分别产生低频32.768khz 和高频32Mhz的频率，根据不同的省电模式，系统可切换工作。

(4)JTAG调试接口：连接CC_DEBUG仿真器就可对ZigBee模块进行仿真或下载，DD是双向数据口，DC为时钟口，RESET_N为低电平有效的复位信号。

图2　协调器电路图

(5)USB转UART电路： CP2102将LVTTL电平的串口数据转换成方便易用的USB信号，节点利用USB接口供电，不需外接电源。

2.2传感器节点电路设计

传感器节点完成温度的采集和无线传输。其硬件电路在协调器电路基础上，删除了UART转USB电路，并增加了DS18B20温度传感器电路。DS18B20是单总线温度传感器，工作电源3V～5.5V，测量范围-55℃～+125℃，支持多点组网功能，测试结果以9～12位数字方式串行传输到控制器，本设计采用3.3V给DS18B20供电，12位数据位，DQ管脚连接CC2530的P0-1口。

3系统软件设计

系统软件包括传感器节点、协调器和PC上位机软件的设计，其中传感器节点和协调器软件基于TI的Z-Stack协议栈[6]设计，使用IAR开发平台开发；PC上位机软件基于VisualBasic 6.0开发实现。

3.1传感器节点软件设计

传感器节点软件主要完成DS18B20的初始化、温度读取函数的设计和温度采集任务的建立。节点加入由协调器建立的网络后，以500ms为周期，定期采集温度数据，并向协调器发送数据，通过调用ZigBee协议栈的定时函数osal_start_timerEx()实现精确定时[6]，温度采集函数流程图如图3所示，传感器节点流程图如图4。

图3　DS18B20温度采集程序流程图

图4　传感器节点流程图

3.2协调器软件设计

协调器流程图如图5所示，上电复位后协调器根据软件设置的参数，选择合适的信道、网络号建立ZigBee无线网络，并等待传感器节点加入；收到终端节点加入请求后，协调器允许加入并为其分配网络地址，在收到传感器节点发送的温度数据后，调用HalUARTWrite()函数[6]将数据发送到PC，随后继续等待节点数据，重复上述流程工作。为了增加可靠性，通信双方需要定义好数据通信的格式，包括帧头、数据长度、帧尾等。

图5　协调器流程图

图6　上位机温度检测界面

3.3PC上位机软件设计

上位机软件基于微软的Visual Basic 6.0设计，采用MsComm控件[7]实现串口数据的发送和接收，其中通信参数设为“115200,n,8,1”，即波特率为115200bps，无校验，8位数据位，1位停止位，协调器节点参数与此相同，温度曲线的绘制使用PictureBox控件[7]作为容器，实现四节点波形的实时显示，软件打开后点击“打开串口”，协调器采集的温度数据会在PictureBox框中绘制，界面控制中的“开始采集”、“停止采集”和“清零”按钮可对采集状态进行控制。此外，各节点可单独设置报警阈值，一旦温度超过所设报警值，软件立即做出提示。

4实际测试结果

图6是上位机的温度曲线图，四节点的温度曲线实时显示在界面中，各节点每500ms发送一次数据，设置节点2的温度报警阈值为28摄氏度，对其加热，当温度达到阈值时，软件立即显示“状态：异常”，将四节点放在四个房间，经过多次实验测试，系统稳定工作。

5结束语

本文设计了基于WSN技术的无线多点温度采集系统，将ZigBee技术[8]与温度测量系统结合在一起，克服了传统有线温度测量系统布线复杂的缺点。系统以CC2530芯片设计协调器节点和终端节点，实现了四节点温度的实时采集，并最终通过PC机上位机软件实时显示温度曲线，系统功耗低，传输可靠，成本低，通过增加终端节点可构成更大容量的温度采集系统。其高稳定性和可靠性使得本设计可用于工业温度采集中。

[参考文献]

[1]高守玮,吴灿阳.Zigbee技术实战教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009．

[2]杨新宇,易经刚,韩九强.无线传感器网络原理与应用[M].北京:高等教育出版社,2012.

[3]江修波.Zigbee技术及其应用[J].低压电器,2005,(7):27-29．

[4]蒋挺等.紫峰技术及其应用[M].北京;北邮出版社,2005．

[5]2.4Ghz IEEE 802.15.4和Zigbee应用的CC2530X片上系统解决方案[Z].TI,2009．

[6]Z-stack Applications User’s Guide [Z].TI,2009.

[7]张辉,李荣利,王和平.Visual Basic串口通信及编程实例[M].北京:化学出版社,2011.

[8]沈建华,郝立平.STM32W无线射频Zigbee单片机原理与应用[M].北京;北京航空航天大学出版社,2010．

The Design of Multi-Node Wireless Temperature Acquisition System Based on WSN

CHEN Liangliang, ZHANG Li, ZHANG Zhongxiang, Chai Doudou, LU Shibin

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,HefeiNormalUniversity,Hefei230601,China)

Abstract：In order to overcome the disadvantages of traditional wired temperature acquisition system, such as higher wiring complexity, inconvenience of maintenance and upgrade, this paper proposes and designs a WSN-based wireless temperature acquisition system. By using CC2530 as the main controller, LM35 as temperature sensor, the wireless sensor network was constructed to realize acquisition of multi-node temperature data based on ZigBee. Last, the application software of PC displays temperature waveform constantly. The final test results show that the design is feasible, and has very good availability.

Key words：WSN; ZigBee; CC2530; multi-node temperature acquisition; LM35

[中图分类号]TN911.73

[文献标识码]A

[文章编号]1674-2273(2015)06-0033-03

作者简介][第一 程亮亮(1987-)硕士，合肥师范学院电子信息工程学院教师，研究方向：物联网

[基金项目]2013年度校级科研项目(科研基地一般项目)基金支持，项目号：2013jd04;2014年本科生毕业论文(设计)培育项目(教研与教改)基金支持，项目号：2014wpy48

[收稿日期]2015-06-08