基于ZigBee的家用水暖设备温度监测系统设计

殷雪朦 张莉 周刚

摘 要：为解决家用水暖设备温度难以监测的问题，文章介绍了一种温度无线监测系统。整个系统采用ZigBee通信方式，硬件部分设计出以STC89C51单片机为核心利用温度传感器采集温度并利用ZigBee实现的单节点和多节点通信，利用实验对比蓝牙和WLAN通信方式具有一定的优势，为锅炉温度监测系统提供了一种解决方案。

关键词：无线监测；温度监测；WLAN通信；ZigBee通信

1 基于ZigBee的网络的温度采集概述

传统的水暖设备，需要用户自己根据自身感受估算温度状况，这大大增加了用户使用的难度。本系统主要实现对水暖设备冬天供暖状况的实时监测。通过在出水位置和各个区域安装基于ZigBee的网络的温度采集节点来测量温度，并以无线传输的方式发送到上位机。通过上位机实时观察数据，改变了采用人工寻访估算供热情况的粗放式供热方式，方便用户及时准确地了解供热状况并对水暖设备做出调整，从而实现节能减排的目的。

2 无线监测系统方案设计

不同于一些文献采用有线监测系统[1]，本文的无线监测系统由温度采集传感器节点和多个上位机组成，在设计开发中，具体方案如图1所示。

系统方案是构建一个温度采集无线传输系统。设计的检测传感器节点主要由4部分组成：传感器模块、单片机模块、无线通信模块以及能量供应模块。同时的监控传感器节点主要由显示模块、单片机模块、无线通信模块以及能量供应模块组成[2]。

在实际工作中由温度采集传感器节点采集出水温度，并由传感器节点的单片机对数据进行处理，然后通过ZigBee无线传输模块将数据发送给上位机实时显示给客户。

采集端采集数据，将采集的数据通过显示模块将采集的数据显示出来。然后通过无线通信模块将采集的数据发送出去，接收端的无线接收模块自动识别并接受发送过来的数据，将数据通过单片机串口显示在液晶显示屏上。也可以实现多个接收端模块同时识别发送过来的数据，并在接收端同时显示接收到的数据。通过串口通信的方式将温度数据传输到无线通信模块中。

3 无线监测系统方案实现

系统硬件电路以单片机为主，并由无线传输模块，温度采集模块，液晶显示模块组成。完成温度采集、液晶显示、单节点、多节点无线传输的功能。该系统温度采集器件选择DS18B20温度传感器，液晶显示器件选择LCD1602模块，无线传输器件选择ZigBee通信模块以及选择了STC89C51作为单片机。单片机通过读取温度传感器采集的数据，通过液晶显示器将采集到的数据显示出来，同时通过串口通信的方式将采集到的数据传送给ZigBee芯片，完成温度采集传输的功能[3]。

基于温度采集的多节点无线通信系统的软件部分主要用于连接检测采集节点的温度值及存储处理显示转发采集的温度数据。实现方法是先用DS18B20温度传感器采集并将采集到的数据传输给单片机，单片机将接收到的数据通过LCD1602液晶显示模块显示出数据并通过串口通行的方式将采集到的数据发送给ZigBee芯片，ZigBee芯片通过软件配置为实时传输模式，方便对数据的获取、分析，并可以调整ZigBee传输的模式，将实时传输改成更加省电的定时传输。

4 实验结果与分析

为验证我们的方案适合在一般城市家用场景中使用，我们进行了两种实验分析。（1）我们分析了单节点和多节点的通信方案。单节点方案适用于单个家庭温度监测，而多节点方案适合与多个家庭分布在多个楼层中共用温度监测。（2）对比蓝牙和WLAN两种方案，可以看出ZigBee技术在温度监测场景下的优势。

4.1 单节点和多节点通信方案实验分析

实验采用XCUT调试软件对ZigBee无线模块通信配置，可实现基本通信基本参数、工作模式以及单点和多点通信配置等。系统实现单节点无线通信方案，收集到的温度为人的手指温度，手指在触摸DS18B20的时候会使采集的数据发生变化，即在显示模块上显示变化着的数据。实现多节点无线通信方案，收集到的温度为实验室室温，即在不同地方的多块无线接收模块接收并显示相同的数据。在做测距实验以及无线实时传输的实验，测得实时传输的距离是整个房间都可以，隔着墙壁也能很好地传输，实验测的距离大概50 m，可以保证高质量的传输。

多节点通信使用了3组无线通信模块，一组无线模块使用温度采集模块，将采集到的数据发送到单片机，单片机通过串口将数据传输到ZigBee模块，并将数据发送出去。剩下的两组无线通信模块负责数据的接收，接收到的数据传输到单片机，单片机通过处理将数据显示在液晶显示器件上，并且两组显示出来的数据相同，并且实现了采集端和多跳实现的两个监测的数据可以保持实时同传，即达到ZigBee实现的多节点通信。

4.2 无线通信技术对比分析

蓝牙、WLAN和ZigBee是最常见的3种无线通信技术。其中，蓝牙是标准的无线通信协议，蓝牙通信的特点是低功耗但是传输距离较近，它可以基于低成本的收发器芯片完成在短距离的固定设备以及移动设备之间的数据交换。蓝牙使用的波段为2 400～2 483.5 MHz。把允许支持WLAN功能的电子设备接入到一个无线局域网的技术叫作WLAN。WLAN技术中想要连接到无线局域网大多数是需要输入密钥的；但是无线局域网也可以设置成开放的，即容许一切WLAN范围内的设备连接到局域网[4]。ZigBee是一种无线连接，可在2.4 GHz（全球通用）、868 MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上工作，分别具有最高250 kbit/s，20 kbit/s和40 kbit/s的传输速率，它的传输距离在10～75 m的范围内，但可以通过增大功率继续增加。

通过对比以上蓝牙，WLAN和ZigBee 3种方案的情况，发现本文采用的ZigBee方法比蓝牙传输距离远，与WLAN效果类似，但是由于设计需要的数据新速率不高，所以ZigBee在使用时更加节能省电，并且ZigBee通信方式具有成本低、时延短、低功耗等特点，特别在针对数据量不大的情况下很实用，适合本文研究的家用水暖设备温度监测系统。

5 结语

水暖设备的温度监测系统主要完成温度的采集和多节点无线传输，采用以STM89C52单片机为核心器件，温度采集器件选用DS18B20温度传感器，显示器件使用LCD1602显示采集到的温度数据，并通过单片机与ZIGBEE S2芯片通过串口通信方式将温度数据传输给芯片，芯片通过无线传输方式将温度数据传给接收端端口。為确保数据传输的准确性，在发送端和接收端分别安装上液晶显示器件，可以更为方便地查看到两端的数据变化情况，以确保数据传输的准确性。

整个温度检测方案，无论是在单个家庭使用还是在多个家庭共用的场景下，都可以自由地配网实现。同时对比蓝牙和WLAN两种其他方案，此方案具有更加节能省电、传输距离更远等优势。

[参考文献]

[1]张毅刚.单片机原理及接口技术[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[2]任丰泉，黄海宁，林闯.无线传感器网络[J].软件学报，2004（7）：1282-1291. .

[3]顾瑞红，张宏科.基于ZigBee的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用，2005（6）：1-3.

[4]王汝传，孙力娟.无线传感器网络技术导论[M].北京：清华大学出版社，2012.