摘要:針對廣闊空間環境溫度釆集系統對功耗及成本的要求，設計了基于無線傳感網絡技術的多點溫度釆集系統.以CC2430為主控芯片,選用DS18B20作為溫度釆集節點的傳感器,基于ZigBee協議棧構建無線網絡實現主從節點之間數據的釆集與傳輸,利用串口通信技術與PC機通信,并編程實現數據處理、存儲與敁1引言隨著生產技術的提高，環境溫度指標越來越多的影響到生產效率、能源消耗和生活水平。不管是工業、農業、軍事及氣象領域，還是日常生活環境，都需要對溫度進行監測。W而,設計可靠且實用的溫度釆集系統顯得非常重要。在傳統的溫度釆集系統中，節點一般釆用有線連接方式，布線繁瑣，擴展性和可移植性較差。尤其對于廣闊空間環境中的溫度釆集,如果釆用有線方式其成本和功耗都比較高。而ZigBee作為一種新興的短距離、低功耗、低成本的無線通信技術，能廣泛應用于工業控制、消費電子、家庭自動化、醫療監控各種領本文設計了一種基于ZigBee無線技術的多點溫度釆集系統，實現了主從節點間數據的無線傳輸，NJ時上位PC機釆用串口與主節點通信,并建立溫度數據庫，實現了數據的統一管理。該系統具有擴展性好、穩定可靠、維護方便等特2系統整體概述本文設計的溫度釆集系統結構如圖1所示。系統釆用ZigBee星型網絡拓撲結構，建立了一個主節點，四個從節點的無線傳感網絡,實現數據的無線傳輸。各個從節點連接數字溫度傳感器DS18B20定時釆集環境溫度,并通過無線傳感網片上系統片上系統(SOC)解決方案,集成了一個8051MCU內核以及符合IEEE802.15.4規絡將數據依次M主節點發送，主節點收到數據后通過串口傳給上位PC機，上位機將釆集的數據存入數據庫，對數據進行分析處理，并在監控界面顯示溫度實時變化曲線。主節點上位PC機主節點從節點1從節點2從節點3從節點4圖1溫度釆集系統結構圖3系統硬件設計1主節點硬件設計選擇CC2430作為主節點的處理器，該芯片是全球宵款支持ZigBee協議的

范的2.4GHz的無線收發器。芯片內部有8kb的RAM,可選32/64/128kB的Flash存儲單元,包含模擬數字轉換器、定時器、看門狗定時器、AES128協處理器等，同時提供了2個UART接口以及21個可編程I/O引腳。該芯片具有高度集成性和豐富的硬件資源，使得外圍電路的設計變得十分簡單。主節點是整個網絡的協調器，作為全功能設備(FullFunctionDevice,FFD),負責網絡組建和維護、溫度釆集數據無線接收、與上位PC機串U通信。W此釆用CC2430-F128(128kBFlash)芯片，并在CC2430典型應用電路的基礎上擴展串行通信接口，選)I]MAX3232芯片實現TTL與RS232電平轉換。ZigBee主節點的硬件電路如圖2所示。CHId=34piCHId=34piC431muC431WD33V,~|0^WD33VinC741ZZ32HHi：C191^jS^DDJWAVDDSWSFHVPa咖mAWDPKEAVDDVCO0C0_WAM>O^VDDCHPHKB2A幻S^VDDJFl>><<muinC741ZZ32HHi：C191^jS^DDJWAVDDSWSFHVPa咖mAWDPKEAVDDVCO0C0_WAM>O^VDDCHPHKB2A幻S^VDDJFl>><<muTITVDD11miPOOP01窄uo0~aso-moutiaiHT11HC3*oCl.vw1PC_MCD~16Cl%owr<?r=^)liFC0\7hJVDDJ3Vm2ZigBee主節點電路3.2從節點硬件設計從W點主要負責溫度釆集和數據無線傳輸，可作為簡化功能設備(Reduced44系統軟件設計44系統軟件設計FunctionDevice,RFD),以降低功耗和成本。芯片釆用CC2430-F32(32kBFlash),其硬件電路和主節點大致相同，只是去掉了串口通信電路,同時在從節點芯片的I/0口上接入多個溫度傳感器DS18B20以實現多點溫度數據的釆集。DS18B20是“單總線”數字溫度傳感器，其測量溫度范圍為-55°C?+125°C，支持3?5.5V電壓供電，主要由四部分組成:64位光刻ROM、溫度傳感器、非易失性溫度報警觸發器和配置寄存器。ROM中的64位序列號出廠前已光刻冏化,每個傳感器的序列號都是唯-?的，W此可以在一根總線上掛接多個DS18B20，能極大減少I/O口的占用。本系統中用DS18B20進行多點溫度釆集時,傳感器與從節點的CC2430的連接形式如圖3所示。圖3溫度傳感器節點連接圖由于ZigBee設備功耗很低，并且能設置成定時睡眠模式以進一步畨電，而DS18B20本身功率也非常小，所以本系統中的主、從各節點均釆用2節1.5V電池供電即可滿足實際需要。1溫度傳感器數據釆集DS18B20可設定9?12位的分辨率，本系統采用12位分辨率，轉換精度為0.0625°C，轉換溫度信號所需最長時間為750ms。溫度數據由2字節組成，以符號擴展的二進制補碼形式存儲,：&低4位是小數部分,中間7位是整數部分，1位符號位。DS18B20內部RAM由9個字節的高速緩存器和E2PR0M組成，前2個字節即為溫度數據。通過復位指令、ROM和RAM功能命令，即可完成對指定DS18B20溫度數據的采集和讀取，所有讀寫操作都是通過與CC2430的I/O口連接的DQ引腳完成。在一線制總線上串接多個DS18B20器件時，需要先發送跳過ROM指令，將所有傳感器都進行一次溫度轉換，之后通過匹配ROM依次讀取每個傳感器的溫度數據，實現對單I/O口上的多個DS18B20器件的操作。整個溫度釆集的流程如圖4所示。圖4DS18B20溫度釆集流程圖ZigBee無線組網及數據通信ZigBee通信協議釆用分層結構,節點通過在不同層上的特定服務來完成所要執行的各種任務。木系統釆用TI提供的ZigBee2006協議棧Z-Stac:k，在IEEE802.15.4標準物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)基礎上增加了網絡層、應用層和安全服務規范,是_?種較好的無線傳感網絡組建方案。ZigBee設備類型按網絡功能分為三種:協調器、路由器、終端。由于本系統釆用星型網絡拓撲結構，所以只存在協調器和終端兩種設備。本系統中主節點被初始化為網絡協調器。協調器包含所有的網絡消息，存儲容量最大、計算能力最強。它的功能是發送網絡信標、建立網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信總、收發信總。從節點被初始化為無信標網絡中的終端設備。上電復位后，即幵始搜索指定信道上的網絡協調器，并發出連接請求。建立連接成功后，從節點將得到一個16位的網絡短地址,并釆用非時隙CSMA-CA機制，通過競爭取得信道使用權，內主節點發送數據。各從節點每30秒讀取一次I/O接口上多片溫度傳感器數值，同時開啟睡眠定時器，約數據發送成功后該節點立即進入睡眠狀態,最大程度地降低功耗，延長從節點的電池使用時間。數據包的格式由從節點串接的DS18B20的數量決定，每個DS18B20傳輸的數據長度定義為31字節為標識符,包括從節點編號，CC2430的I/O口編號以及此溫度傳感器的編號，后2個字節為溫度釆集數據。主節點收到數據包后，對數據進行分析處理，把從節點上的每個溫度傳感器的數據釆集值進行轉換，得到實際的溫度值，然后發送給上位PC機。主從各節點的組網及通信流程如圖5所示。協謫器初始化傳感器節點初始化建立網絡嘗試加入網絡”否定時讀取各渥度傳感器數據發送數據包給協調器從節點阿絡地址發送數據包給協調器4w<否<否”否”數據處理并發送至上位疋圖5主從節點組網通信流程圖PC機串口通信及監控滬汊僧rc〉灑度數振庫14:28-3014:29滬汊僧rc〉灑度數振庫14:28-3014:290014:293014:3000in/tn獅串口|邁度1|通度2U4通度528728428928128428828S：r-c28028.229.0286280i28528028.729.028.328.328.228828.628628328328728228729.028428.328.028.828.5287287288283286283288ji：tJ:29028028528928728828.628.8：3207ftf妁Fif舛fi14:2600圖6上位機軟件運行界面上位機釆WVB編程語言編寫串口通信及數據庫程序,在工程中添加MSCornm控件實現串口傳輸和接收數據[4]。使WADO對象連接Access3前數據存入數據庫中，將控件PictureBox作為容器,實現曲線圖的動態顯示,此過程涉及到曲線、坐標軸、格線和坐標刻度的消隱和重繪。消隱的實現主要用背景色重繪曲線和網格線，并覆蓋坐標刻度數字，重繪實時曲線和坐標軸網格線通過Line方法來實現，坐標軸刻度、標簽、圖標等的標注使用Print方法實現[5]。當程序開始運行后，打幵串口，就可將接收到的實時數據加入到各節點的歷史溫度數據庫，同時可以從運行界面看到歷史溫度變化曲線。圖表中曲線的最右端為當前溫度，點擊節點按鈕，然后選中指定的溫度數據框，即可查看對應傳感器節點的溫度歷史數據和變化情況，軟件運行時的界面如圖6所示。5結束語本文設計了一種