尤洋，文小玲，鄒艷華

1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205; 2.武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

一種無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

尤洋1，2，文小玲1，鄒艷華1

1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205; 2.武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074

針對傳統(tǒng)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)依靠有線通信存在布線量大、擴(kuò)展性差、檢修復(fù)雜等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于紫蜂（ZigBee）技術(shù)的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)以STM32F103ZE微處理器和CC2530無線射頻芯片為核心，在ZigBee協(xié)議棧（Z－STACK）基礎(chǔ)上建立協(xié)調(diào)器、終端無線收發(fā)模塊，構(gòu)建星型局域網(wǎng).終端節(jié)點(diǎn)以CC2530為核心，采用K型熱電偶溫度傳感器和脈沖寬度調(diào)制交流斬波調(diào)壓電路，通過與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行無線通信發(fā)送實(shí)時溫度數(shù)據(jù)、接收溫度指令信號，并用模糊比例積分微分控制算法實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時控制.通過串口通信方式實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與STM32F103ZE之間的數(shù)據(jù)通信，并在STM32F103ZE上建立友好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時監(jiān)控.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫度的無線監(jiān)控，其控制精度達(dá)到了預(yù)期的要求，具有無線傳輸數(shù)據(jù)可靠、組網(wǎng)簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn).

紫蜂技術(shù)；STM32F103ZE；ZigBee協(xié)議棧；模糊比例積分微分；溫度監(jiān)控

0 引言

溫度監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)及日常生活中，現(xiàn)有大部分依靠有線進(jìn)行監(jiān)控，存在需要大量布線、安裝位置固定、可擴(kuò)展性較差、檢修復(fù)雜等缺陷.隨著無線通信技術(shù)的日趨成熟，物聯(lián)網(wǎng)和無線傳輸技術(shù)在工業(yè)控制中成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)，采用無線傳輸技術(shù)可以克服有線溫度監(jiān)控系統(tǒng)的上述缺點(diǎn).ZigBee采用帶時隙或不帶時隙的載波檢測多路訪問與沖突避免的數(shù)據(jù)傳輸方法，并通過確認(rèn)和數(shù)據(jù)檢測等措施，保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，且具有組網(wǎng)靈活、成本低、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢［1］，因而在眾多無線傳輸方式中脫穎而出.本文以STM32F103ZE、CC2530無線射頻芯片為核心，在Z－STACK協(xié)議棧基礎(chǔ)上建立協(xié)調(diào)器、終端無線收發(fā)模塊來構(gòu)建星型局域網(wǎng)，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng).

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示，由上位機(jī)STM32F103ZE、ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)三大模塊構(gòu)成.由于系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少，ZigBee協(xié)調(diào)器與ZigBee終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu). ZigBee終端節(jié)點(diǎn)通過熱電偶采集溫度信息，通過無線局域網(wǎng)傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，接收來自協(xié)調(diào)器的溫度指令信息、并利用模糊比例積分微分（proportional-integral-derivative，以下簡稱PID）算法控制溫度.ZigBee協(xié)調(diào)器接收到終端節(jié)點(diǎn)溫度信息后上傳到上位機(jī)STM32F103ZE. STM32F103ZE的主要功能是接收來自ZigBee協(xié)調(diào)器的溫度信息、并顯示在液晶屏幕上，通過鍵盤設(shè)置各個節(jié)點(diǎn)溫度控制指令值并發(fā)送給協(xié)調(diào)器，同時通過串口實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控終端個人計(jì)算機(jī)（personal computer，PC）的通信.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖Fig.1Diagram of system structure

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線局域網(wǎng)

系統(tǒng)采用星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中主要包括ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee終端節(jié)點(diǎn).

2.1.1 ZigBee協(xié)調(diào)器ZigBee協(xié)調(diào)器由德州儀器（TexasInstruments，以下簡稱簡稱TI）公司CC2530和射頻專用功率放大器CC2591組成的全功能模塊（full-functional device，以下簡稱FFD）構(gòu)成. CC2530是一個結(jié)合了2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE的高性能片上系統(tǒng)，集成了領(lǐng)先的RF收發(fā)器、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8 kB RAM等資源.CC2591是TI公司生產(chǎn)的高性價比和高性能射頻專用功率放大器，非常適合低電壓、低功耗的2.4 GHz無線應(yīng)用［2］.另外，在全功能模塊上安裝天線裝置使得無線傳輸距離更遠(yuǎn).

2.1.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)由ZigBee無線射頻全功能模塊FFD、測溫電路和調(diào)壓加熱電路構(gòu)成.其中，測溫電路采用K型熱電偶作為溫度傳感器，可以直接測量0℃～1 300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度.加熱裝置采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，以下簡稱PWM）交流斬波調(diào)壓電路加熱電阻絲.

K型熱電偶測溫產(chǎn)生的熱電動勢不僅與熱端溫度有關(guān)，還與冷端溫度相關(guān).本系統(tǒng)采用靈敏度較高、線性較好的IN4148作為熱敏元件進(jìn)行冷端補(bǔ)償、以減少CPU開銷.熱電偶測溫電路原理圖如圖2所示，熱電偶測量溫度信號經(jīng)過冷端補(bǔ)償及信號調(diào)理后輸入到CC2530的12位A／D模擬量輸入通道.

圖2 熱電偶電路Fig.2Thermocouple circuit

加熱電路采用PWM控制N溝道P-MOSFET交流斬波調(diào)壓方式，以改變加熱電阻絲兩端的電壓來進(jìn)行溫度控制.其原理圖如圖3所示，CC2530產(chǎn)生PWM（Pulse Width Modulation）波形，通過驅(qū)動電路驅(qū)動P-MOSFET進(jìn)行交流斬波調(diào)壓.該電路控制簡單，產(chǎn)生的高頻高次諧波很容易利用很小的電感電容濾掉，可以提高加熱電路中的電能質(zhì)量、給溫度控制精度提供基本保障［3－5］.

圖3 加熱電路Fig.3Heating circuit

2.2 STM32F103ZE上位機(jī)模塊

上位機(jī)模塊由STM32F103ZE最小系統(tǒng)和TFTLCD液晶顯示模塊及輸入按鍵構(gòu)成. STM32F103ZE是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3的32位微處理器，最高工作頻率72 MHz，片內(nèi)Flash容量512kByte，片內(nèi)SRAM容量64kByte；具有高性能、低功耗、豐富的片內(nèi)資源等特點(diǎn). STM32提供了睡眠、待機(jī)、停機(jī)三種低功耗省電模式和靈活的時鐘控制模式，用戶可合理優(yōu)化系統(tǒng). STM32F103ZE采用自帶可變靜態(tài)存儲控制器（Flexible Static Memory Controller，F(xiàn)SMC）接口與TFT3.2寸（320*240）液晶模塊相連，更加方便地控制液晶模塊［6］.鍵盤部分采用4個按鍵完成，用KEY1設(shè)置溫度、KEY 2加溫度值、KEY 3減溫度值、KEY 4移動設(shè)置數(shù)據(jù)位.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序，STM32F103ZE上位機(jī)程序三部分.其中ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序的功能是組建局域網(wǎng)、管理終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)與STM32F103ZE的通信；ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序的功能是采集溫度傳感器信號及無線收發(fā)溫度信息，利用模糊PID算法控制加熱裝置；STM32F103ZE上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)與ZigBee協(xié)調(diào)器的通信，發(fā)送終端節(jié)點(diǎn)溫度控制參數(shù)，收集、處理及顯示各個節(jié)點(diǎn)溫度信息，提供友好的人機(jī)界面.

3.1 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序

ZigBee協(xié)調(diào)器是本系統(tǒng)的信息中樞，軟件總體設(shè)計(jì)建立在Z－STACK工作流程基礎(chǔ)上.ZigBee節(jié)點(diǎn)程序的核心Z－STACK協(xié)議棧在IEEE 802.15.4的物理（Physical，PHY）層和媒體訪問控制（Media Access Control，MAC）層基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)（Network，NWK）層和應(yīng)用（Application，以下簡稱APL）層.在APL層內(nèi)提供應(yīng)用支持子（Application support sub－layer，APS）層和設(shè)備對象（ZigBee Device Object，ZDO）以及應(yīng)用框架（Application Framework，AF），用戶可以在應(yīng)用框架中加入自定義應(yīng)用對象［7］.Z－STACK內(nèi)部各層之間采用“原語”進(jìn)行通訊.Chipcon公司設(shè)計(jì)的Z－Stack協(xié)議棧中提供了一個名為操作系統(tǒng)抽象層（Operating System Abstraction Layer，以下簡稱OSAL）的協(xié)議棧調(diào)度程序.在協(xié)議棧中發(fā)生了任何事件，OSAL都可以通過調(diào)用相應(yīng)層的任務(wù)，即事件處理函數(shù)來處理.

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序在應(yīng)用層定義兩個事件來完成任務(wù)：事件1，協(xié)調(diào)器無線接收終端節(jié)點(diǎn)測量溫度，并將溫度發(fā)送給STM32F103ZE系統(tǒng)；事件2是通過串口接收上位機(jī)STM32103ZE的設(shè)置溫度信息，并將設(shè)置溫度無線發(fā)射到各個終端節(jié)點(diǎn).其流程圖如圖4所示，系統(tǒng)初始化包括初始化各層任務(wù)，在APL層建立用戶自定義任務(wù)和事件處理函數(shù)，然后進(jìn)入OSAL操作系統(tǒng)運(yùn)行，不斷查詢?nèi)蝿?wù)優(yōu)先級，當(dāng)有事件發(fā)生時，比較事件對應(yīng)的任務(wù)優(yōu)先級，進(jìn)入高優(yōu)先級任務(wù)層的事件處理函數(shù)，事件屬于應(yīng)用層任務(wù)時，進(jìn)入應(yīng)用層任務(wù)查詢事件號1、2，進(jìn)入對應(yīng)事件的處理函數(shù).

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序流程Fig.4Coordinator node program flow

3.2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)中溫度采集和控制的末梢.軟件總體設(shè)計(jì)建立在Z－STACK工作流程基礎(chǔ)上，本程序定義兩個事件來完成任務(wù)：事件1是終端節(jié)點(diǎn)讀取K型熱電偶測量數(shù)據(jù)，將溫度數(shù)據(jù)無線發(fā)射到協(xié)調(diào)器；事件2是終端節(jié)點(diǎn)無線接收控制溫度數(shù)據(jù)并采用模糊PID算法控制加熱裝置.

因溫度的純滯后性，采用常規(guī)PID控制效果不夠理想.所以采用模糊PID算法控制溫度，其原理框圖如圖5所示.圖5中，R為溫度指令信號，Y為溫度反饋信號.控制算法思路是利用偏差e和偏差變化率ec與PID三個參數(shù)（kp、ki、kd）之間的模糊關(guān)系，在控制溫度過程中不斷計(jì)算e和ec，根據(jù)建立的模糊控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，自整定PID參數(shù)值，再進(jìn)行PID控制［8－9］.

圖5 模糊PID控制系統(tǒng)原理框圖Fig.5Diagram of Fuzzy PID control system

PID調(diào)節(jié)的差分方程為

其中，ΔT為A/D采樣溫度周期.模糊PID控制既實(shí)現(xiàn)在線自整定kp、ki、kd參數(shù)，也延續(xù)了常規(guī)PID控制原理簡單、使用方便、魯棒性較強(qiáng)的特點(diǎn).模糊PID算法的程序流程如圖6所示.

圖6 模糊PID算法程序流程Fig.6Fuzzy PID algorithm flowchart

3.3 STM32F103ZE上位機(jī)程序

STM32F103ZE上位機(jī)程序由串口通訊模塊，TFTLCD液晶屏驅(qū)動、顯示模塊，按鍵設(shè)置模塊三部分組成.串口通訊模塊負(fù)責(zé)收發(fā)溫度信息，LCD液晶程序負(fù)責(zé)顯示溫度信息，按鍵程序負(fù)責(zé)設(shè)置終端溫度［10］，程序流程圖如圖7所示.

圖7 STM32F103ZE程序流程Fig.7STM32F103ZE program flowchart

溫度設(shè)置采用按鍵中斷程序完成，液晶顯示程序設(shè)計(jì)為數(shù)值顯示和模擬溫度計(jì)光柱等比例顯示，使得監(jiān)控顯示值更加清晰直觀.

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)ZigBee節(jié)點(diǎn)所用的開發(fā)環(huán)境是IAR7.60，移植了TI公司的Z－STACK（版本CC2530－2.3.0－1.40）協(xié)議棧.STM32F103ZE使用Keil uVision4開發(fā).系統(tǒng)接入三個ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，以水溫為實(shí)驗(yàn)對象，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1Experimental data

運(yùn)行穩(wěn)定后STM32F103ZE液晶顯示如圖8所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線溫度監(jiān)控.由于溫度是一個難控對象，系統(tǒng)模糊PID控制加熱溫度時存在一定的偏差，熱電偶測量較低溫度時精度相對較低導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定誤差.在實(shí)際生產(chǎn)、生活中，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇元器件和控制策略，多進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試來滿足監(jiān)控精度.

圖8 液晶顯示界面Fig.8LCD interface

5 結(jié)語

上述基于ZigBee無線傳輸技術(shù)和STM32F103ZE設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)具備系統(tǒng)穩(wěn)定、無線傳輸數(shù)據(jù)可靠、設(shè)備組網(wǎng)簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn).系統(tǒng)采用的模糊PID控制PWM交流斬波改變加熱電壓控制溫度，滿足了一般生產(chǎn)、生活的精度要求，但交流斬波調(diào)壓效率及溫度控制精度仍有較大的改善空間，這是以后深入研究的方向.隨著無線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，這種基于ZigBee無線技術(shù)的溫度監(jiān)控技術(shù)將會有更多的應(yīng)用價值和廣闊的前景.

致謝

武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金提供了資金資助，趙振華教授給予的指導(dǎo)，在此表示衷心的感謝！

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Design of wireless temperature monitoring system based on ZigBee

YOU Yang1，2，WEN Xiao－ling1，ZOU Yan－h(huán)ua1
1.School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China 2.The College of Post and Telecommunication of WIT,Wuhan 430074,China

Aimed at the poor extension and complicated overhaul of traditional temperature monitoring system，a wireless temperature monitoring system based on ZigBee was designed.In the system，the STM32F103ZE and the CC2530 chip were used to construct coordinator and terminal sensor nodes of star network based on the Z－STACK protocol.As the controller of a terminal sensor node，CC2530 sent real－time temperature data from K－Thermocouple into the ZigBee coordinator，

temperature commands from ZigBee coordinator，implemented fuzzy proportional－integral－derivative control algorithm，and output pulse width modulation signals to alternating current chopper circuit.The data transceiver between coordinator and STM32F103ZE was realized by serial port communication，and the real－time monitoring of temperature was accomplished with the friendly human－computer interface established on STM32F103ZE.Experimental results show that the temperature wireless monitoring and control precision can meet the desired requirements.Furthermore，the designed system is characterized by reliable wireless data transmission，simple networking，strong expansibility and low cost.

ZigBee；STM32F103ZE；Z－STACK；fuzzy PID；temperature monitoring

TB35

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.01.007

本文編輯：陳小平

1674－2869（2015）01－0030－05

2014－12－22

武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金（CX2013038）

作者介紹：尤洋（1984－），男，湖北荊州人，碩士研究生.研究方向：嵌入式系統(tǒng).