基于ZigBee技术的温度和加速度状态监测系统设计

基于ZigBee技术的温度和加速度状态监测系统设计
作者：郭学鹏王吉芳
来源：《数字技术与应用》2012年第11期
摘要：ZigBee技术是一种短距离无线通信技术，广泛应用在工业控制，智能家居，医疗应用，环境监测领域。

本系统设计基于ZigBee的温度和加速度的无线传感网络，上位机监测中心采用LabVIEW编写，可以实时采集温度信号和三轴加速度信号，并将数存入数据库。

测试表明，该系统效果良好，能够完成基于温度信号和加速度信号的监测系统。

关键词：ZigBee 状态监测 LabVIEW
中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0145-02
ZigBee技术是ZigBee联盟开发的短距离、低功耗、低成本[1]、低复杂度的网络技术，它是基于IEEE802.15.4标准的有关自组织组网、安全性能以及应用方面的技术。

ZigBee技术的这些优良特性，决定了ZigBee技术符合短距离无线传感网络的要求，并且与其它几种无线技术相比，ZigBee技术具有显著的优势。

ZigBee技术可以在局部范围对监测的对象进行多点同时监测，并且其成本不会随着监测点数的增加而大幅增长[2]。

基于ZigBee技术的优良特性，运用ZigBee技术组建无线传感网络对机电设备进行状态监测是十分经济和有效的[2]。

1、系统总体方案
ZigBee网络中有3中逻辑设备节点，分别是：协调器节点（Coordinator），路由器节点（Router），终端设备节点（End-device）[3]。

协调器节点是整个ZigBee网络的核心，主要作用是启动网络配置网络，当ZigBee网络启动配置完成之后，协调器节点就自动变成一个路由器节点；路由器节点主要起到接力的作用[4]，可以扩大信号的传输范围，路由器节点应该一直处于活动状态；终端设备节点主要作用是执行命令或者采集数据，终端设备节点可以处于休眠状态或者被唤醒，因此可用电池供电。

本系统ZigBee选择TI公司生产ZigBee最新一代片上系统（SOC）芯片[5]CC2530传感器采用常用的数字温度传感器DS18B20，加速度传感器选用TI公司生产的3轴加速度传感器ADXL345，系统的主要分为无线传感网络硬件设计，无线传感网络软件设计，上位机监测中心设计。

系统总体框图如图1所示。

2、网络节点硬件设计
系统网络节点的硬件部分主要由处理器模块、电源模块、无线通信模块、传感器模块、其他模块以及外围电路组成。

如图2所示。

数据采集模块亦即传感器模块，采集分为DS18B20温度传感器和ADXL345三轴加速度传感器，传感器将采集到的温度和加速度值，传至处理器模块。

处理器模块亦即ZigBee模块，本系统使用的处理器是TI公司的CC2530，负责整个网络节点的数据采集，数据处理，任务管理，功耗管理等。

最主要的功能是实现两个无线通信设备之间通信安全与可靠通信协议。

无线通信模块的主要功能是在协议栈中进行信息的传递以及通信设备之间进行数据的收发。

电源模块针对不同的节点提供不同的供电方式。

本系统中针对路由器节点和终端设备节点采用电池供电，针对协调器节点采用直流电源供电。

为保证网络节点的通信质量，同时也兼顾经济性，还要选择合适的天线模块。

3、网络节点软件设计
3.1协调器节点软件设计
本系统的协调器节点的主要功能是读取传感器节点无线发送的数据并且打包通过串口传送至上位机软件中，其软件流程图如图3所示，协调器节点上电之后，首先进行软件以及硬件相关的初始化工作然后建立一个网络并且监听这个网络是否有信号传入，如果没有信号就一直监听网络，如果有传感器节点申请加入网络的信号就给该传感器节点分配网络地址，允许其加入网络，如果传感器节点加入网络之后有数据传至协调器节点就读取数据，等待所有传感器节点都有一次采集数据传至协调器节点之后就将数据读取并且打包传送至上位机监测中心进行进一步操作。

3.2终端设备节点软件设计
本系统的终端设备节点的主要功能是采集温度传感器DS18B20的温度值和加速度传感器ADXL345的三轴加速度值，并且把数据通过无线的方式发送给协调器节点，其软件流程图如图4所示。

4、上位机监测中心设计
本系统上位机监测中心采用LabVIEW软件编写[6]，对数据进行处理、实时显示、存入数据库。

程序采用模块化编程的思想，总体框图如图5所示，在监测中心后台，运行着数据接收模块、数据显示模块、数据处理模块、数据库模块。

图5上位机监测中心总体框图
各个模块的主要功能如下：
（1）用户登录模块设置用户访问权限，需要用户输入正确的用户名和密码才可以正确登录。

（2）数据接收模块通过串口接收协调器节点发送的打包数据发送的数据。

（3）数据处理模块将接收到得温度以及加速度数据按照数据手册定义的数据格式转换成正确的十进制数据。

（4）数据显示模块用于实时显示温度以及X轴，Y轴，Z轴三维加速度值。

（5）数据库模块将正确的数据存入建立好的access数据库，合成SQL语言，可以实现采集数据实时存入数据库。

系统运行如图6所示，将温度传感器靠近热源则温度升高，离开热源则温度回复，将加速度传感器连接振源，则出现波动。

（如图6）
5、结语
本文设计开发基于ZigBee技术的温度和加速度信号状态监测系统，采用ZigBee技术，软件LabVIEW软件编写上位机软件，实现了系统的要求，能够对设备的温度，以及加速度的参数进行采集，处理，以及显示，可以实现相关功能。

参考文献
[1]唐新安.600KW风力发电机组故障诊断.新疆：新疆大学硕士学位论文，2006：30-31.
[2]赵盈洁.风力发电机组齿轮箱的维护与检测[J].动力与电气工程，2012，10：129～130.
[3]莫才颂.齿轮箱轴瓦温度高故障分析与处理[J].茂名学院学报，2009，6：38～41.
[4]风电机组齿轮箱温度趋势状态监测及分析方法[J].中国电机工程学报，2011，11：129～136.
[5]李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.6：11～13.
[6]李文仲，段朝玉.ZigBee2006无线网络与无线定位实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.1：8～11.。