北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192

一、引言

溫度監(jiān)測系統(tǒng)在生活中有著廣泛地應用，比如：溫室大棚的溫度監(jiān)測、工廠車間的溫度報警裝置等等。在一些特定環(huán)境中，溫度監(jiān)測環(huán)境范圍大，測點距離遠，傳統(tǒng)的布線方式很不方便，這時就要采取無線方法對溫度數據進行采集。ZigBee協(xié)議作為一種全新的無線傳感技術應運而生，它以配置快捷、節(jié)點耗電低、雙向傳送數據和控制命令等特點在其他無線通信協(xié)議中脫穎而出，成為了眾多廠家的首選協(xié)議。

ZigBee可以在一定區(qū)域內進行監(jiān)測，并將所收集的數據發(fā)送到中心節(jié)點，以便實現區(qū)域的監(jiān)測、跟蹤和遙控。大量廉價的節(jié)點進行有機的組合，并按照一定的通信標準就構成了ZigBee無線網絡，每個網絡節(jié)點都具有自己的位置，發(fā)揮一定的作用。ZigBee網絡是大規(guī)模的、自組織的、多跳的，在整個網絡中基本上設備是固定的，它們都彼此在一定的監(jiān)測區(qū)域發(fā)揮著自己應有的作用，由于每個設備都處在末端，有時候會在一些惡劣的環(huán)境中，所以這些節(jié)點的工作時間要長[1]。

基于ZigBee的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)能夠更便捷、可靠地完成人們的測溫要求，與其它技術比較來說，具有成本低、工作時間長的特點，突出的優(yōu)點是非常簡潔，能夠快速應用到實際中。

二、系統(tǒng)的硬件設計

本系統(tǒng)是利用ZigBee技術來實現無線溫度監(jiān)測的目的，那么就需要對ZigBee系統(tǒng)進行設計，包括無線通信模塊、協(xié)調器和終端的設計，搭建完整的硬件電路，進而對環(huán)境溫度進行智能監(jiān)測。整體結構如圖1所示。

1、無線網絡通信模塊設計

通信芯片選擇的是TI公司的CC2530。CC2530是一種用于2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee/RF4CE的單芯片解決方案，具有射頻性能好、功耗超低、靈敏度高、抗噪聲及干擾能力強等優(yōu)點，而且成本低廉，只需很少的外置低成本元件即可支持快速、廉價的ZigBee節(jié)點的構建。CC2530在一般空曠環(huán)境下的最遠通訊距離為100m左右。

CC2530芯片集成了可編程閃存、MCU和ZigBee RF，其中MCU為8位單周期8051微控制核心，外設資源包括DMA、定時/計數器、看門狗定時器、AES-128協(xié)處理器、8～14位ADC、USART、睡眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O引腳[2]等。

CC2530的功耗很低，其睡眠與工作模式間激活轉換時間非常短，是超長電池使用壽命應用的理想解決方案，在接收和發(fā)射傳輸模式下的電池損耗分別為27mA和15mA[3]。

另外，TI公司還提供了開源的協(xié)議棧，協(xié)議棧的底層代碼已經封裝完畢，只需調用即可，提高了程序開發(fā)的效率。

CC2530芯片的RF-P 與RF-N管腳是一對差分輸入輸出信號。射頻輸入和輸出電路中使用2.4GHz頻段的信號，使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓器，使天線性能更優(yōu)。基本連接圖見圖2。

2、協(xié)調器節(jié)點設計

協(xié)調器作為網絡的關鍵點，主要功能是進行網絡的組建，并將接收終端節(jié)點的溫度數據包然后發(fā)送給上位機。協(xié)調器節(jié)點結構如圖3所示，主要包括CC2530核心模塊、串口通信模塊、電源模塊等。

本系統(tǒng)中協(xié)調器有著很重要的作用，它負責整個網絡的搭建。協(xié)調器可以允許終端節(jié)點的加入，另外協(xié)調器作為數據傳輸的中樞神經，將溫度數據通過串口發(fā)送給上位機。電源模塊是最基本的模塊，提供給協(xié)調器進行工作的能量來源。仿真器模塊通過USB與仿真器接口將主機和CC2530通信模塊相連，主要負責將協(xié)調器的程序下載，可以在線調試。LED指示電路模塊負責指示協(xié)調器的工作狀態(tài)和運行流程，LED閃爍一次表示協(xié)調器開始工作，連續(xù)閃爍四次表示終端節(jié)點成功加入網絡，來判定當前協(xié)調器運行狀態(tài)，也可以檢驗協(xié)調器是否正常的工作。

3、終端節(jié)點設計

終端模塊主要負責將采集的溫度數據進行處理并打包，并把溫度數據包發(fā)送給協(xié)調器。除此之外還需要判斷協(xié)調器發(fā)過來的溫度控制命令。終端節(jié)點組成結構圖如圖4所示，系統(tǒng)由CC2530無線通信/處理、溫度傳感器、電源、仿真器、LED指示電路等模塊組成。

終端節(jié)點作為溫度數據采集的主要節(jié)點在整個網絡中發(fā)揮重要作用。終端節(jié)點需要采集溫度，并且需要處理溫度數據。當然終端節(jié)點也需要電源來保障其正常工作。終端節(jié)點中有LED指示電路模塊負責指示其工作狀態(tài)和運行流程，LED閃爍一次表示協(xié)調器開始工作，連續(xù)閃爍兩次表示未成功加入網絡，連續(xù)閃爍四次表示成功加入網絡，以此來判定當前協(xié)調器運行狀態(tài)，也可以檢驗終端是否正常工作。

溫度傳感器采用DALLAS公司生產的DSl8B20，測溫范圍在-55℃～ +125℃之間，溫度計的分辨率可以從9位到12位選擇[4]。DSl8B20是1-Wire即單總線器件，具有單線接口、體積小和線路簡單的特點，處理器和DSl8B20僅需一條連接線就可完成數據收發(fā)及電源提供（也可以由外部的3.3V電源供電），在一根通信線上可以掛很多的溫度計，形成多點分布應用。

傳感器DS18B20主要引腳包括接地端、輸入/輸出端和電源端，它與CC2530的P1.1口相連，用于溫度數據的傳輸，電源接3.3V電源。

4、擴展功能模塊設計

（1）串行通信接口設計

本系統(tǒng)中應用到了CH340 USB轉接芯片，實現了USB轉串口，在開發(fā)板上焊接了USB模塊方便與PC機進行通信。

串行通信模塊原理圖如圖5所示。CH340芯片中的RTS和DTR引腳分別連接CC2530芯片的TXD（P03）和RXD（P02）。USB模塊的2和3引腳分別接到了CH340的管腳VD-和VD+引腳上。

（2）電源模塊設計

本系統(tǒng)中的通信芯片具有低功耗的特點，再加上節(jié)點的便捷性，采用電池板進行供電，能很好地滿足芯片的要求，且能降低開發(fā)成本。因此本次設計使用2節(jié)5號電池。原理圖如圖6所示。

三、系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計保證系統(tǒng)按照預期效果工作，通過對硬件模塊進行程序編寫，來達到ZigBee網絡的組建，溫度的采集和發(fā)送，節(jié)點數據的傳輸和顯示。系統(tǒng)的硬件模塊主要有協(xié)調器、終端兩個部分，那么軟件設計就要按照這兩個部分進行，即協(xié)調器軟件設計、終端軟件設計、上位機軟件設計。系統(tǒng)軟件結構如圖7所示。

1、系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境

本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境是與CC2530配套的IAR Embedded Workbench IDE，Z-Stack為開發(fā)者提供了大量的程序代碼和API函數接口，提高了開發(fā)效率。Z-Stack分為以下幾層：AP、HAL、MAC、NWK、OSAL、Security、Service、ZDO[5]。我們主要對 API層進行調用，把已建立好的項目做修改，添加自己的應用程序，利用移植的方式來開發(fā)項目。IAR打開工程后，就可以看到整個協(xié)議棧的分布。主要對App中的文件進行修改來達到自己預期的要求，所以說會降低開發(fā)周期，非常適合工程項目的開發(fā)。

Z-Stack的主函數在ZMain.c中的主要工作是系統(tǒng)初始化，即由啟動代碼來初始化硬件系統(tǒng)和軟件結構需要的各個模塊，然后開始執(zhí)行操作系統(tǒng)實體。

2、協(xié)調器軟件設計

在ZigBee網絡中，協(xié)調器起著至關重要的作用，完成整個網絡的組建工作。它作為網絡的中心，是第一個要啟動的，通過它來建立數據通道。通電后，首先要進行硬件和軟件架構的初始化。完成后，開始掃描信道，選擇一個合適的信道，并且選一個PAN_ID，然后通過廣播的方式發(fā)送網絡ID號、信道等[6]。終端節(jié)點的申請入網信號一旦被協(xié)調器接收到，終端節(jié)點得以加入網絡中，并為其分配16位短地址[7]。協(xié)調器接收到終端傳來的溫度數據包，并通過串口傳輸給PC機。協(xié)調器不會進入休眠模式，它會一直保持著工作的狀態(tài)。其工作流程如圖8所示。

3、終端器軟件設計

本系統(tǒng)的終端通電后，節(jié)點啟動，并不斷掃描指定的頻道，向協(xié)調器發(fā)送加入網絡的請求，如果沒有成功加入，則再次嘗試加入網絡。加入網絡成功后，得到協(xié)調器分配的網絡地址，沒有事件處理時就進入休眠狀態(tài)，以降低功耗，延長使用時間。當有事件需要處理時，喚醒系統(tǒng)，節(jié)點每隔一定的周期采集和讀取周圍環(huán)境的溫度，并把采集的數據打包發(fā)送給協(xié)調器，如果發(fā)送成功，節(jié)點將會進入休眠狀態(tài)；如果沒有成功，就要不斷的發(fā)送數據包，直到發(fā)送成功。終端設備通信流程如圖9所示。

4、上位機軟件設計

在系統(tǒng)中，當協(xié)調器收集到終端發(fā)送來的數據時，對溫度數據進行一系列處理，將溫度數據通過串口傳輸給PC機。本系統(tǒng)不僅要監(jiān)測當前環(huán)境的溫度，同時還要對當前溫度進行必要的調節(jié)，通過上位機應用程序設定溫度的閾值，當溫度低于或者高于設定的溫度范圍時，會提示溫度不在正常范圍內，需要進行調節(jié)。這時應用者就可以了解到當前溫度的情況，做好調節(jié)溫度的措施。上位機軟件系統(tǒng)流程圖如圖10所示。

在VC++的MFC窗體中集成了串口庫，通過插入Microsoft Communication Control控件來完成上位機的編寫[8]。需要注意的是，COM和波特率一定要設置正確，否則不能進行正常的通信。串口成功打開后，成功接收數據，將溫度數據包讀到緩沖區(qū)buff之中，對數據進行處理，將數據顯示在指定的位置，當要關閉此系統(tǒng)時，選擇退出，此時若成功關閉，整個窗口就會關閉。設計的軟件界面圖如圖11所示。

四、系統(tǒng)的調試和測試

1、網絡連接測試

在整個ZigBee系統(tǒng)中建立網絡、加入網絡、離開網絡和網絡地址分配機制，主要是在網絡層完成的。網絡層利用MAC層進行信道掃描、連接和斷開連接功能，形成了比較完善的網絡機制。

只有協(xié)調器具有建立網絡的能力。建立一個網絡，要選擇合適的信道和網絡ID，并且要設置網絡地址。當協(xié)調器負責的區(qū)域中有終端節(jié)點加入的時候，終端節(jié)點會發(fā)出指令將其作為父節(jié)點，與其建立網絡連接。協(xié)調器需要允許該終端節(jié)點的加入，為其分配網絡地址，完成整個網絡的搭建。

當一個節(jié)點要加入網絡時，節(jié)點首先使用信道掃描找出所有可以加入的網絡，然后選擇其中的一個設備作為自己的父節(jié)點，并調用MAC層連接過程建立父子關系，加入網絡。父節(jié)點接收到該節(jié)點的連接請求后，如果網絡可以加入設備，那么將為這個節(jié)點分配網絡地址，并且回復該節(jié)點的請求，就可以知道自己是否成功加入網絡中。

在本次設計中要達到的預期效果有：協(xié)調器在通電啟動之后組網過程中LED指示燈會閃爍4次，表示協(xié)調器正在組網，閃爍之后就會一直亮的狀態(tài)說明已經組網成功，等待終端節(jié)點的加入；終端節(jié)點通電啟動后LED指示燈會一直閃爍，掃描當前環(huán)境中是否有可加入的網絡。當存在網絡后終端節(jié)點開始申請加入網絡，加入成功后LED指示燈會一直處于點亮的狀態(tài)。

測試時，把協(xié)調器和終端各自的程序燒進開發(fā)板，并且兩個板子都用電池供電，能達到預期的效果，則兩個節(jié)點之間的網絡連接已經成功。

2、溫度監(jiān)測功能測試

為測試溫度監(jiān)測系統(tǒng)整體效能，搭建了一個簡易的ZigBee網絡，主要是一個協(xié)調器、一個終端節(jié)點和一臺PC機。

首先把上位機程序運行起來，用USB連接線把協(xié)調器與PC機連接起來，選擇串口COM3和115200波特率，確保能進行正常的通信。然后給各個節(jié)點供電，協(xié)調器節(jié)點建立網絡，發(fā)起網絡連接；終端節(jié)點自動掃描當前環(huán)境的網絡并加入網絡。各節(jié)點的指示燈均閃爍，表示工作處于正常狀態(tài)。終端節(jié)點采集到溫度數據并發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器把接收到的數據包做一定的處理，將數據上傳到上位機顯示界面。這時將判斷當前溫度是否處于設計的溫度范圍內，把上限閾值設為30.0℃，下限閾值設為20.0℃，測得的當前溫度為28.8℃，如果當前溫度是正常的將會提示溫度正常；把上限閾值設為25.0℃，下限閾值設為20.0℃，測得的當前溫度值為30.5℃，很明顯當前溫度不在設定的溫度范圍內，將會進行溫度預警，并提示做好調節(jié)溫度的措施。測試界面如圖12所示。

五、結束語

本系統(tǒng)設計主要利用ZigBee技術，結合溫度傳感器，組成了一套無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)，通過對Z-Stack協(xié)議棧進行編程，更好地了解底層的編碼環(huán)境，對ZigBee技術的使用更加深入。無線溫度監(jiān)測較傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測有了進一步的升級，適用的環(huán)境也多種多樣，尤其是在現場環(huán)境比較惡劣、場所比較復雜或是需要監(jiān)測多點數據的時候更能發(fā)揮無線技術的優(yōu)勢。但是該系統(tǒng)比較簡單，針對此問題，需要接下來更深一步進行研究。