基于ZigBee无线技术的分布式温度监测系统

基于ZigBee无线技术的分布式温度监测系统
祝良荣;金永敏
【摘要】以ZigBee无线网络及ARM嵌入式技术为核心,设计了分布式温度监测系统.从硬件结构和软件设计两方面阐述了该系统的实现原理,给出了系统相关的电路原理图和程序框图.温度监控节点与数据集中器之间采用ZigBee技术进行数据传输,避免了系统安装过程中烦琐的布线工作.温度监测结果以数据、曲线等方式在数据集中器人机界面上显示.同时在数据库技术支持下,温度监控软件实现了测试数据的保存、查询等功能,且能以串口通信或以太网的方式与PC机进行数据交换.【期刊名称】《机械与电子》
【年(卷),期】2010(000)003
【总页数】4页(P49-51,56)
【关键词】温度监测;ZigBee无线网络;嵌入式技术
【作者】祝良荣;金永敏
【作者单位】浙江工业职业技术学院电气工程学院,浙江,绍兴,312000;浙江工业职业技术学院电气工程学院,浙江,绍兴,312000
【正文语种】中文
【中图分类】TM93
0 引言
随着我国工业化进程的推进,现场温度数据监测与控制技术被广泛应用于各类工业
过程控制系统,并逐渐呈现网络化、远距离的特点.现有的温度数据监测系统大都使用有线的方式,在各温度采集点安放温度传感器,通过现场总线或工业以太网传输数据.但在有些应用场合,此类温度监测系统并不适用,如监测点较多现场布线困难等.在这种情况下,使用无线的方式进行数据的采集和传输是比较理想的.但是在Zig Bee 技术出现以前,利用无线方式传输数据面临各测量点功耗较大,供电困难的问题,而Zig Bee技术极低功耗的特点可以较好地解决这一问题.Zig Bee技术作为一种低复杂度、低功耗、低速率和低成本的无线通信技术,其所具有的网络拓扑结构以及自动路由、动态组网等特点[1],使得无线技术在现场温度数据监测系统中具有广阔的应用前景.
1 系统结构
基于Zig Bee无线技术的分布式温度监测系统,主要由1台以32位S3C2410芯片与CC2420芯片为核心的温度数据集中器(Zig Bee协调器)和安装在各处的温度监测点(Zig Bee设备)组成星形结构网络.温度监测节点主要由CC2430芯片与数字温度传感器DS18B20组成.温度集中器通过发送超帧使各Zig Bee设备与它同步,并使各温度监测点周期性地进入低功耗状态,以达到降低功耗的目的.温度监测点将采集的温度值利用Zig Bee网络,以无线方式传输给温度集中器,温度集中器在收到温度监测值后,将数据存入数据库,并以数值和曲线的方式在数据集中器人机界面上显示.数据集中器还可以通过串行或以太网与PC机连接传输数据.系统结构如图1所示.
图1 分布式温度监测系统结构
2 温度监测节点设计
温度监测点的结构较为简单,是一组Zig Bee精简功能节点(RFD),由8路温度传感器、射频收发芯片和RS232串口通信接口组成.温度监测节点主要完成各监测点的温度测量,并向FFD节点发送所采集温度数据.同时,预留RS232通信接口.具体的电
路如图2所示.
图2 温度监测点硬件电路
射频收发芯片使用CC2430芯片,该芯片内部包括了一个工作频率为2.4 GHz的直接序列扩频方式射频收发器和一颗工业级 8051控制器.CC2430天线接收的射频信号经过低噪声放大器和I/Q下变频处理后,中频信号为2MHz,此混合I/Q信号经过滤波、放大,A/D变换,自动增益控制,数字解调和解扩,最终恢复出传输的正确数据.发射部分基于直接上变频.要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中,头帧和起始帧由硬件自动产生.根据IEEE 802.15.4标准,所要发送的数据流每4个比特被32码片的扩频序列扩频后,送到D/A变换器,再经过低通滤波和上变频混频后的射频信号,最终被调制到2.4 GH z,并经放大后送到天线发射[2].
由于温度监测的实时性不强,因此在传输数据过程中选用了超帧周期,以使各温度监测节点处于低功耗睡眠状态的时间较长,并尽量减少工作电能的需求.分布式温度控制系统信标选取序号为14,对应的信标周期为251.658 24 s,超帧的序号取0,对应的活动时间为15.36 ms,每台Zig Bee设备仅使用其中的一个时隙,时间为11.92 ms,占空比约为0.000 000 762 9.
温度监测节点传感器采用一线器件DS18B20,其温度测量范围为-55～125℃,它本身输出数字信号,无需外部信号放大调理电路.8路DS18B20硬件以串联的方式相连.
3 数据集中器设计
分布式温度监控系统的数据集中器由嵌入式小系统模块与CC2420无线通信模块组成.小系统模块使用S3C24l0处理器,主要包括NOR Flash电路、NAND Flash 电路、SDRAM 电路、电源电路、时钟电路和复位电路S3C24l0处理器,NOR Flash电路、NAND Flash电路、SDRAM 电路、电源电路、时钟电路、复位电路和人机接口电路等电路模块[3].数据集中器在Zig Bee无线数据传输中起协调器
作用,主要负责接收系统内温度监测节点发回的数据并进行必要的处理与分析.同时,数据集中器提供各温度监测点温度曲线显示与数据查询功能.其硬件电路模块如图3所示.
图3 数据集中器硬件电路模块
3.1 S3C2410与CC2420的连接电路
数据集中器中的无线通信模块CC2420以SPI总线的方式与S3C2410芯片相连,通过4线SPI总线(SI,SO,SCLK,CSn)可设置芯片的工作模式,以及读/写缓存数据和状态寄存器;通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器;通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计;通过SFD管脚状态设置可以控制时钟/定时信息的输入.另外,在数据传输过程中,CSn必须始终保持低电平.
3.2 嵌入式系统主要电路模块
启动芯片NOR Flash采用三星公司的SST39VF1601,2 MB,16位宽度.为使其启动引导系统,片选信号选择ARM的nGCSO管脚,由于是16位宽度,则相对SC2410来说是半字对齐.所以在电路连接时,应忽略S3C2410的ADDRO引脚.
固态硬盘采用NAND Flash K 9F1208U0B,64 MB,8位数据输入输出.该芯片用于存储Win CE系统内核及映像、应用程序和数据库等文件.
数据集中器SDRAM硬件选用的是2片现代公司的HY57V 561620B,单片容
4(Bank)×4M ×16位,为充分发挥32位数据传输性能,用2片构成32位宽度
64MB的存储器,在与S3C2410的连接过程中,要忽略ADDR0,ADDR1.由于64 MB需要26根地址线,SDRAM的BA 0和BA 1引脚应连接到S3C2410的ADDR24和ADDR25引脚[4-5].
4 系统软件设计
分布式温度监控系统软件包括数据集中器软件和温度监测点软件.其中数据集中器软件以Win CE 6.0嵌入式操作系统为核心,包括温度监控软件、SPI流驱动程序、
Zig Bee无线数据收发与RFD节点管理程序.
4.1 温度监控软件设计
温度监控软件在Visual Studio 2005软件开发平台下利用C#语言开发完成,包含Zig Bee网络初始化、各监测点温度采集与显示、温度曲线显示、系统参数设置、温度数据存储和查询等功能.
图4 温度监控软件模块组成
温度监控软件模块组成如图4所示.在系统上电后,Zig Bee网络初始化软件模块首先开始工作,按顺序完成初始化协议栈、无线网络能量检测、选择合适的信道和启动协调器.此后即可允许温度监测节点与其连接,接收它们传输的各节点的温度值,在人机界面上显示各温度监测点数据,并绘制温度曲线.同时,将各监测点的数据存入数据库以备查询.
4.2 数据集中器Zig Bee无线通信模块设计
分布式温度监控系统采用星形拓扑结构,只涉及单一的Zig Bee无线网络,只需要1台网络协调器,因此在软件设计中不需要网络层,直接将无线数据收发程序建立在MAC层上即可[6].
数据集中器作为Zig Bee网络的协调器,在温度监测系统中应先于温度监控节点工作.上电后首先初始化协议栈,然后进行能量检测,选择合适的信道,启动无线通信模块建立Zig Bee网络.此后,即可允许温度监控节点与其连接,接收它们传输的各节点的温度值.其软件流程如图5所示.
图5 数据集中器Zig Bee模块软件流程
4.3 温度监测点软件设计
温度监测节点采用CC2430芯片,软件部分采用IAR Embedded Workbench平台开发完成,主要完成各数字温度传感器的温度数据读取,以及Zig-Bee无线数据传输的相关功能,并能以RS232串口方式与PC机数据交换.
温度监测节点上电后首先进行信道扫描,信道设置成与现有的协调器使用的信道相同,并提供正确的认证信息,然后与数据集中器建立连接.节点加入网络后,从其数据集中器得到自己的短MAC地址、Zig Bee网络地址以及数据集中器规定的拓扑参数.然后开始按周期采集本处的温度值,并将测量值传送给数据集中器.软件流程如图6所示.
图6 温度监测节点软件流程
5 结束语
分布式温度监测系统开发后,已成功地应用于大棚温室温度监测.使用结果表明,系统运用Zig-Bee技术,搭建出温度监控节点与数据集中器之间的无线通信系统,避免了烦琐的布线.利用ARM 9技术和Win CE 6.0嵌入式系统为平台开发的数据集中器,具有操作简单、管理功能强大和运行稳定可靠等优点.系统具有较大的灵活性和扩展性,通过更换传感器,还可以推广到其它过程控制参数监测场合.
参考文献:
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[5]黄文龙,徐道连,刘泽奎.基于Zig Bee和ARM 的嵌入式智能家庭安防系统设计[J].重庆工学院学报(自然科学版),2009,23(2):152-156.
[6]宁炳武,刘军民.基于CC2430的Zig Bee网络节点设计[J].通信与网
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