基于ZigBee和C#的多点无线温度采集系统的研究与设计

陈子杨+刘艳艳+李媛媛

摘 要：不管是工业、农业、军事及气象领域，还是人类生活的环境，都需要对温度和湿度进行测量和控制。因而，研制可靠且实用的温湿度测量装置显得非常重要。尤其是要实现大环境中的温湿度测量和自动控制，采用有线网络的方案难以实现。本文提出采用基于ZigBee技术的无线温湿度测量与传输的方案，在上位机中采用C#构成多点无线温湿度采集系统，实现对网络采集的数据统一管理和分析。该系统具有快速展开、稳定可靠、可维护性好等特点。

关键词：温度采集；ZigBee；C#；多点通信

1、系统的整体概述

该系统通过具有单总线总线接口的温度传感器DS18B20实现对温度的采集，将信号送至ZigBee无线节点，采用ZigBee技术的星型网络拓扑结构，建立了一个主节点，多个从节点的无线网络，从节点采集温湿度数据每隔一定的时间轮流向主节点发送，主节点收到数据之后通过串口将各节点的温湿度数据传给上位机监控界面。本文选用C#作为开发语言，进行上位机的设计。

2、硬件系统设计

2.1、DS18B20 温度传感器

DS18B20數字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域【1】。

2.2、CC2530主控芯片

CC2530是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求【2】。它结合一个高性能2.4GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。

CC2530包括了1个高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和1个8051控制器，它具有32/64/128 kB可选择的编程闪存和8kB的RAM，还包括ADC、定时器、睡眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路和21个可编程I/O引脚，这样很容易实现通信模块的小型化。CC2530是一款功耗相当低的单片机，功耗模式3下电流消耗仅0.2μA，在32 k晶体时钟下运行，电流消耗小于1μA【3】。

3、软件系统设计

整个软件系统可分为上位机软件和下位机软件。上位机相当于一个软件系统，可以用于接收数据、控制数据。即可以对接收到的数据直接发送操控命令来操作数据。上位机可以接收下位机的信号。下位机是一个控制器，是直接控制设备获取设备状况的计算机。上位机发出的命令首先给下位机，下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据（一般为模拟量），转换成数字信号反馈给上位机。上位机不可以单独使用，而下位机可以单独使用【4】。

3.1 下位机软件设计

ZigBee除IEEE802.15.4所包含的2层外，网络层和应用层需要由软件来实现。IC的供应商以库文件的形式向用户提供完整ZigBee协议栈，用户仅仅完成应用程序的设计便可。应用程序包括各部分功能模块的初始化，中断处理和读写DSl8820的温度检测程序。其中初始化程序包括系统主时钟源设置、ADC初始化、串口（UART）初始化、时钟模式初始化、AES（Advanced Encryption Standard）初始化、RF初始化、中断初始化和DSl8820初始化等。由于文章篇幅限制，这里给出主程序的流程图，如图2所示。

3.2 上位机系统设计

上位机的功能主要为串口通信。串口是按位（bit）发送和接收字节。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口，这些参数必须匹配：

a，波特率：这是一个衡量符号传输速率的参数。

b，数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。

c，停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。

d，奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。

在进行PC机和无线采集模块串行通信前，首先要配置好串口，即串口初始化，使计算机串口的上述参数设置与无线收发模块的串口参数保持一致，这样才能够正确的通信。在开发过程中，主要用到SerialPort的类。

4、结语

在本次项目中，采用DS18B20对温度度的采集，实现了一种传输途径基于ZigBee星型网络、数据处理平台基于C#的多点无线温湿度采集系统，并在C#平台上进行显示。通过实验调试，该采集系统达到了设计要求，效果良好。最后要感谢西北民族大学电气工程学院能给我这么一次学习的机会，感谢我的杨雪松老师和张兴莉老师在项目执行过程中对我的帮助。

参考文献：

【1】邴春秋，郑萍. 基于ZigBee的远程无线I/O模块设计及应用. 西华大学，2008.

【2】倪康，徐晓光，崔晶. 基于C#和Zigbee的大棚温湿度监测系统设计[J]. 洛阳师范学院学报，2015，（02）：41-44.

【3】周怡颋，凌志浩，吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨.自动化仪表，2005，26（6）.

【4】李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：5-10，20-23.

作者简介：

陈子杨，男（汉族），湖北黄石人，西北民族大学电气工程学院本科在读生，研究方向：物联网工程、嵌入式。