王玉菡，曾自強，陳鴻雁，徐　霞

(1.重慶理工大學 電子信息與自動化學院，重慶　400054；2.川慶鉆探工程有限公司測井公司，重慶　400021)

?

基于ZigBee和VC6.0的無線溫度采集系統(tǒng)

王玉菡1，曾自強2，陳鴻雁1，徐霞1

(1.重慶理工大學 電子信息與自動化學院，重慶400054；2.川慶鉆探工程有限公司測井公司，重慶400021)

摘要：為了適應現(xiàn)場環(huán)境,滿足低功耗等特殊要求，設計了一種基于ZigBee和VC6.0的無線溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)下位機以CC2530為核心，負責采集發(fā)送溫度數據；上位機采用VC6.0編程，實現(xiàn)了溫度數據的實時顯示和存儲。

關鍵詞：ZigBee;VC6.0;溫度;CC2530

在實際應用中，常常需要對被監(jiān)測對象的基本狀態(tài)進行實時監(jiān)控，如溫度監(jiān)測。隨著無線通訊技術的廣泛應用，對物理狀態(tài)的短距離無線監(jiān)控變得越來越頻繁，而且要求無線傳感器作為終端節(jié)點能夠長時間工作且價格低廉。ZigBee技術可以滿足這些要求，其特點是低功耗、低成本[1-15]。筆者設計了一個基于ZigBee技術的無線溫度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)下位機的硬件采用CC2530芯片作為溫度采集和無線收發(fā)的核心；軟件采用由ZigBee協(xié)議棧里的溫度采集實例SensorDemo改寫而來的程序，以發(fā)送溫度傳感器LM35AH采集的數據；上位機的軟件采用VC6.0進行開發(fā)，使用GigaSoft公司的ProEssentials DLL來繪制溫度實時曲線圖。

1系統(tǒng)總體設計

ZigBee節(jié)點有3種身份：協(xié)調器、路由器和終端。協(xié)調器是整個網絡的控制者，主要負責建立新網絡、初始化網絡、管理網絡各個節(jié)點等，且1個網絡之中只能有1個協(xié)調器；路由器用于多路路由，自身也可作為終端，路由器之間可以相互傳送信息；終端作為終點，只負責將采集到的數據向路由傳送。

ZigBee有3種不同的拓撲網絡類型：星型、樹型和網狀[16]。星形網絡有一個中心節(jié)點，所有消息都經它傳輸。樹型網絡有一個頂端節(jié)點，下面有“枝”有“葉”，消息先上行再下傳。網狀網絡與樹型網絡相似，但某些“枝”和“葉”可直接鏈接。本研究采用星型網絡，總體設計框圖如圖1所示：3個終端分別采集各自的溫度，隨后將數據無線發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器經USB接口將數據傳送給PC，最后實現(xiàn)PC顯示和保存數據[17]。

圖1　系統(tǒng)總體設計框圖

2系統(tǒng)下位機硬件設計

2.1CC2530簡介

CC2530 是用于 IEEE 802.15.4、ZigBee 和 RF4CE的一種片上系統(tǒng)(SoC)解決方案[18]，具有以下特點：① 低功耗，具有多種運行模式，且不同模式之間的相互轉換時間很短；② 功能強大，集8051可編程單片機、ADC、無線通訊模塊和閃存于一體，外圍電路少；③ 應用廣，適用于短距離、低傳輸率、低功耗的場所，諸如智能家居、汽車等。

2.2協(xié)調器串口轉換電路設計

協(xié)調器是ZigBee網絡的核心。當一個網絡建成并初始化后，終端節(jié)點通過無線網絡將采集到的溫度數據發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器接收到數據后再通過串口送往計算機。協(xié)調器和計算機之間通過串口USB轉換芯片CH340建立通訊。CH340是一個USB總線的轉接芯片，能實現(xiàn)USB轉串口、USB轉IrDA紅外等功能。轉換電路如圖2所示。

圖2　CH340轉換電路

2.3終端節(jié)點溫度采集電路設計

終端節(jié)點主要負責對環(huán)境溫度的實時采集，并把采集到的溫度數據無線發(fā)送給協(xié)調器。由于CC2530自身內部集成的溫度傳感器采集的溫度精度不高且為非線性，所以必須外接一個溫度傳感器。本研究采用LM35AH。

LM35AH是NS公司生產的集成電路溫度傳感器系列產品之一[19]，它把溫度傳感器和放大電路集成在一起，具有以下特點：① 具有較高的工作精度和較寬的線性工作范圍；② LM35AH的輸出電壓與攝氏溫度成線性比例；③ 使用時無需外圍元件，無需外部校正，工作精度高，在室溫下可以提供(±0.25)℃的精度；④ 電壓輸入范圍寬(4～20 V)，有2種電源模式(正負雙電源和單電源)，正負雙電源模式可測量負溫度。本研究無需測量負溫度，所以采用單電源供電模式。LM35AH原理如圖3所示。LM35AH輸出電壓信號經過一個運算放大器后進入一個A/D器件進行轉換，之后經鎖存器與CC2530相連。

圖3　LM35AH原理

3下位機軟件設計

下位機軟件開發(fā)平臺采用IAR for8051，協(xié)議棧為ZStack-CC2530-2.5.1a，軟件程序由TI自帶的測溫實例程序SensorDemo改寫而成。協(xié)調器和終端的流程如圖4、5所示。終端負責采集溫度，當收到協(xié)調器查詢命令時，采集并無線發(fā)送數據；協(xié)調器負責接收數據并將數據通過USB傳給PC[19-21]。

圖4　協(xié)調器流程

圖5　終端流程

4上位機軟件設計

上位機軟件采用VC6.0作為軟件開發(fā)平臺。采用第三方通訊類CSerialPort來讀寫串口，然后使用GigaSoft公司的ProEssentials DLL來繪制溫度實時曲線圖，最后使用ADO技術實時存儲數據，以便后續(xù)的數據處理。圖6是上位機軟件功能框圖。

圖6　上位機軟件功能框圖

ProEssentials是Gigasoft公司開發(fā)的一個功能十分強大的工控圖表[22]。它可以很輕松地繪制出二維和三維曲線，也可以繪制出如餅狀圖和柱狀圖等的其他圖表，還可以實現(xiàn)用鼠標拖動圖形進行旋轉等功能。ProEssentials的使用也很方便，只需將PEGRP32C.DLL拷貝到System32目錄下，再在“工程設置”的Link中添加PEGRP32C.lib，最后在“工程”里添加頭文件Pegrpapi.h即可。圖7是溫度實時曲線顯示界面。值得注意的是：如果使用時間驅動ProEssentials繪制曲線，時間設置不能低于1 s，否則繪制出的曲線將不正確，所以ProEssentials適用于低采樣率曲線的繪制。

圖7　溫度采集軟件界面

5結束語

利用ZigBee的低功耗特性設計了一種基于ZigBee網絡和VC6.0開發(fā)平臺的無線溫度采集系統(tǒng)，介紹了數據的采集、發(fā)送、顯示過程。實驗調試結果表明：該系統(tǒng)達到了設計要求,運行性能穩(wěn)定，效果良好。

參考文獻：

[1]蔣峰,趙偉.ZigBee技術在溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J].農化機研究,2013(9):218-222.

[2]閆德立,胡立強,高占風.基于ZigBee技術無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].物流工程與管理,2009,31(7):64-65.

[3]唐松，尼瑪扎西，高定國． 無線傳感器網絡在青藏鐵路凍土監(jiān)測領域的應用[J]． 重慶理工大學學報(自然科學)，2015(5):112-118.

[4]曹建玲，余俊，王路路.任智一種能量高效的無線傳感器網絡分簇路由協(xié)議[J].重慶郵電大學學報(自然科學版),2014(2):150-154.

[5]李亮，曹婷婷.基于ZigBee技術的無線紅外CO檢測儀[J].激光雜志，2015(1)：68-69，73.

[6]付華，黃嵩，丁柏聞，等.基于ZigBee 技術的輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].壓電與聲光，2013(5):756-759.

[7]周瑩.改進遺傳算法優(yōu)化無線傳感器網絡路由算法[J].激光雜志，2015(1)：113-116.

[8]唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，等． ZigBee 無線傳感器網絡在西藏糧倉監(jiān)測中的應用[J]． 重慶理工大學學報(自然科學)，2014(8):92 -97.

[9]劉浩,陳自力.基于CC2430的ZigBee溫度采集傳輸軟件設計[J].科技信息，2009(26):228-229.

[10]王翠茹,于祥兵,王成福.基于ZigBee技術的溫度采集傳輸系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器,2008(7):103-105.

[11]陳克克,岳青,彭燕，等.基于ZigBee的溫室無線傳感器節(jié)點設計與實現(xiàn)[J].農機化研究.2011,33(2):93-96.

[12]鄧中華.基于ZigBee的無線溫度采集系統(tǒng)設計[J].計算機工程與科學.2011年,33(6):164-167.

[13]黃傳勝,王娜娜,黃丹丹.基于ZigBee無線傳感器網絡的溫度測量[J].現(xiàn)代電子技術.2011,34(22):52-54.

[14]劉渝燦.基于CC2430片內溫度傳感器溫度檢測系統(tǒng)的設計[J].中國儀器儀表.2008(7):40-41.

[15]王鈞,李廣.基于無線傳感器網絡的農產品儲運控制系統(tǒng)[J].自動化與儀器儀表,2015(4):116-120.

[16]霍峰,王長松,鞏憲鋒，等.基于ZigBee和LabVIEW的多功能數據采集系統(tǒng)[J].微計算機信息,2008,27(7):82-85.

[17]丁凡,周永明.基于ZigBee的多路溫度數據無線采集系統(tǒng)設計[J].儀表技術與傳感器,2013(8):72-73.

[18]張猛,房俊龍.基于ZigBee的溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].自動化技術與應用,2012,31(2):32-36.

[19]李志宇,肖前貴.基于LM35溫度傳感器的溫控系統(tǒng)設計.微計算機信息,2004年,20(9):51-52.

[20]馬巧娟,鄭萍,王曉光，等.基于ZigBee和LabVIEW的多點無線溫濕度采集系統(tǒng)[J].中國儀器儀表,2009,20(4):49-52.

[21]吳呈瑜,孫運強.基于ZigBee技術的短距離無線數據傳輸系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器,2008(5):38-39.

[22]張峰,丁永剛.采用 ProEssentials 實現(xiàn)工業(yè)生產數據圖形化顯示[J].軟件導刊,2009,8(8):180-182.

(責任編輯楊黎麗)

Design of Wireless Temperature Acquisition System Based on ZigBee and VC6.0

WANG Yu-han1，ZENG Zi-qiang2，CHEN Hong-yan1，XU Xia1

(1.College of Electronic Engineering and Automation, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China; 2.Well Logging Company,Chuanqing Drilling Engineering Company Limited, Chongqing 400021, China)

Abstract:In order to adapt the site environment and meet some special requirements such as the low power consumption, a wireless temperature acquisition system based on ZigBee and VC6.0 was designed. The CC2530, which can collect and send temperature data, was taken as the center of the control computer. The software of the host PC was programmed by VC6.0, which can achieve real-time data display and storage temperature.

Key words：ZigBee; VC6.0; temperature; CC2530

收稿日期：2016-01-09

基金項目：重慶市教委科技項目(KJ1500935 );重慶理工大學青年科研項目星火支持計劃(2014XH10，2014XH12)

作者簡介：王玉菡(1981—)，女，河北冀州人，碩士，主要從事智能儀器研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.019

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)05-0108-04

引用格式：王玉菡，曾自強，陳鴻雁，等.基于ZigBee和VC6.0的無線溫度采集系統(tǒng)[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(5):108-111.

Citation format：WANG Yu-han，ZENG Zi-qiang，CHEN Hong-yan,et al.Design of Wireless Temperature Acquisition System Based on ZigBee and VC6.0[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):108-111.