基于zigbee无线温度采集系统

基于zigbee无线温度采集系统内容摘要：

活动时间，延长它们的“睡眠”时间，但这需要综合考虑系统响应时间、功耗等因素。 休眠时间太长，虽可获得更低的功耗，但势必降低采样温度的实时性。 下图 21 所示为一个基本工作周期T，其中只有 Tl时间段芯 片处于工作状态，通过竞争取得信道的使用权，完成数据收发，剩下的很长时间芯片处于低功耗休眠状态。 占空比 q=Tl/T 越小，功耗越低 . 图 方案 1:一定的周期定时醒来后使用一种简单的非时隙 CSMACA 机制，通过竞争取得信道使用权，主动向主节点发送数据，随后进入休眠。 此种方法实现较简单，工作量小，但当从节点数量较多时，信道访问冲突较厉害，因此，这种方法不适用于从节点数量很多的情况。 方案 2:通过协调器发送超帧，同 步所有的从设备，使它们协调起来。 在超帧活动期，各子设备使用时隙 CSMACA 算法竞争取得信道使用权，实现数据收发，在非活动期，统一地进入休眠状态。 从设备将在 ZigBee 协议代码的控制下，适时跟踪信标，保持与协调器的同步。 此种机制在从节点数量很多的情况下依然能表现出很强的通信效率和低功耗性能，但软件实现略复杂，工作量大。 考虑到论文任务书只要求做到 2 个从节点和 1 个主节点，数量不多，可使用 CC2430芯片的 sleep Timer，并使芯片工作在 PMZ 模式，方便地实现长时间低功耗睡眠 [18]。 故选择方案 1。 分布式 温度测量系统主要由一台数据集中器 (ZigBee 协调器 )、一台 Pc 机和放置在各处的温度监测节点 (ZigBee 设备 )组成。 数据集中器与各个温度测量节点组成一个 ZigBee 星型网 络。 CC2430 芯片的标准通信距离时 50m，温度节点放置范围可在以数据集中器为中心 80m 半径范围内。 适当的增大发射功率可加大通信距离。 增强型 ZigBee模块有效通信距离可达 1000m。 系统总体结构 ZigBee 无线温度 温 度测量系统由上位计算机、网络协调器、路由器、 51 单片机以及传感器组成。 如图 2 图 23 所示 T1 T 菏泽学院本 科生毕业设计（论文 ） 7 图 22 ZigBee 无线温度测量系统框图 该系统通过 温 度传感器将土壤 温 度信号采集出来，模拟信号通过 AD594 转换为数字信号，经过包括差分放大在内的三级放大后（采用差分放大的方法主要是提高测量的精准度），将数字信号传输给单片机处理。 而温度部分则由 18b20 直接采集传给单片机。 图 23 三级放大电路图 经单片机处理的数字信号，通过 ZigBee 无线收发模块进行传送，与单片机连接在一起的 ZigBee 路由模块与单片机和传感器一同组成一个节点，与 另外 N 个节点终端共同组成了一个数据收发的网络。 同时 ZigBee 无线传感器执行网络必须要有一个协调器作为整个网络的传输与控制中心，并与上位计算机相连 [13]。 如图 24 所示： 计算机 ZigBee 无线网络协调器 节点 1 ZigBee 路由器 51 单片机 温度传感器 温度传感器 节点 2 ZigBee 路由器 51 单片机 温度传感器 温度传感器 节点 3 ZigBee 路由器 51 单片机 温度传感器 温度传感器 菏泽学院本 科生毕业设计（论文 ） 8 图 24 总体电路图 系统的整体工作过程是：首先由协调器节点成功创建 ZigBee 网络，然后等待终端节点加入。 当终端节点及传感器上电后，会自动查找空间中存在的 ZigBee 网络，找到后即加入网络，并把该节点的物理地址发送给协调器。 协调器把节点的地址信息等通过串口发送给计算机进行保存。 当计算机想要获取某一节点处的传感器值时，只需要向 串口发送相应节点的物理地址及测量指令。 协调器通过串口从计算机端收到物理地址后，会向与其相对应的传感器节点发送数据，传达传感器测量指令。 传感器节点收到数据后，通过传感器测量数据，然后将测量结果发送给协调器，并在计算机端进行显示。 在系统中，节点上电加入网络后，协调器会通过 RS232 向 PC 机发送新加入节点的IEEE 地址。 PC 机将从串口接收到的物理地址和短地址进行存储，并改变计算机中所存储的房间地图中的节点颜色进行指示。 该程序使用 Visual C++ 编写。 上位机操作主要部分 操作界面 主要包括： 试验设置、打开串口 /关闭串口、开始接收、数据分析、曲线分析、查找节点、单步存储、退出 8 部分。 如图 25 所示 菏泽学院本 科生毕业设计（论文 ） 9 图 25 操作界面 各部分功能介绍 ㈠ 试验设置 (1)⑴ 试验编号 主要是设定此次试验的编号，即试验代码，以方便下一次对此次试验数据进行查找与操作。 设置好的试验代码可长期跟踪操作。 如图 26 所示 图 26 试验设置 ⑵ 接收方式 分为单步接收、定时接收、批量接收三种接收方式。 ① 单步接收：鼠标点击“接收数据”一次，程序执行一次，即数据接收一 次。 单击“单步存储”进行数据存储。 ② 定时接收：由下面的定时时间来设定时间间隔，即隔多长时间自动进行数据的接 菏泽学院本 科生毕业设计（论文 ） 10 收。 点击“停止接受”进行数据存储。 ③ 批量接收：主要针对多节点的大量数据接收，默认间隔为 1 秒。 点击“停止接受”进行数据存储。 ⑶ 定时时间 只与定时接收相对应，当定义为其他接收方式时，此栏为灰色。 定时时间以分钟为单位，支持小数点，最多可设定 20 个数字。 当基本设置完成后，单击“确定”按钮，回到主界面，单击“取消”按钮后依旧回到主界面，但是 此时没有进行试验设置，需要重新设置。 ㈡ 打开串口／关闭串口 由鼠标左键控制切换，当串口打开时，主界面显示为＂关闭串口＂．当没有连接串口时，会显示＂串口连接错误＂的提示． 注意：当准备接受数据进行实验时，此处状态必须为“打开串口”。 ㈢ 开始接收／停止接收 此操作必须在打开串口时方可进行，当没有打开串口时，进行此操作，为显示出＂请先打开串口，再接收数据＂的提示． ㈣ 数据分析 数据分析界面包括查询条件和数据显示两部分．如图 27 所示 图 27 数据分析 查询条件包括： 1) 试验编号选择 在下拉菜单里可以选择一个曾设置的试验编号，主要针对＂试验设置＂里的＂试验编号＂，也可以手动输入要查询的试验编号。 2) 节点选择 在下拉菜单里可以选择一个节点或者多个节点。 此项与＂查找节点＂界面相关。 3) 查询 上面两部设定无误后，单击“查询”，完成对查询数据的相关显示。 数据显示包括： 记录条数 即为所显示的数据的条数 温度均值 即为本次操作所有温度数据的均值 试验编号 即为所选择的试验编号 节点 显示此试验编号的对应节点信息 温度 显示此试验编号下的对应节点的温度值 试验时间 显示此次试验的时间 (小时、 分 ) 菏泽学院本 科生毕业设计（论文 ） 11 实验日期 显示此次试验的日期（年－月－日） 删除所有记录 删除界面所有数据 删除选择记录 删除所选择的记录，所选择的记录由用户用手表左键单击一次选择，若连续单击两次，则会对所单击的数据进行单条的数据删除 若没有进行接收或者数据无法存储接收，则当单击“数据分析”时，会显示＂数据库连接失败，无法分析数据＂的提示。 ㈤ 曲线分析 执行此操作前，必须设定一个数据库对分析数据进行储存．如图 28 所示 图 28 曲线 分析 1) 试验编号 即所要分析数据的试验编号。 2) 节点选择 选择要进行曲线分析的节点。 3) 参数选择 可以选择温度或者 温 度作为参数进行曲线分析。 4) 方式选择 选择“单节点显示”或“多节点显示”。 单节点显示只会画出一条曲线，而多节点显示时，将会有多条不同颜色的曲线进行显示。 5) 曲线表度 分为日期、时间、日期＋时间三种显示方法，对应为曲线显示时的横坐标变化，在此应该注意的是，坐标的间隔是由所输入数据的多少自行设定的，即当数据多时，间隔大，数据少时，间隔小。 完成设定后，点击“输出曲线” 即可观察到所要分析的数据形成的曲线。 此外，数据曲线图像可以根据用户要求进行拉伸。 ㈥ 查找节点 查找节点网络的所有节点． ㈦ 单步存储 与＂单步接收＂相对应，当实验设置为单步接受时，需要点击此按钮进行数据存储，当设定为其他接收方式时，此栏为灰色． ㈧ 退出 退出操作界面． 对用户而言，当想要获取传感器所测量区域 土壤 的温 温 度等情况时，只需要点击 PC 机所显示的地图上相应的节点。 程序会调用已存储在相应位置的传感器节点的物理地址，通过串口和 ZigBee 网 络向该节点发送测量传感器数据的指令，并等待接收传感器 传回的温度，并在 PC 机界面进行显示。 实验表明，节点的功耗较低，每 菏泽学院本 科生毕业设计（论文 ） 12 个节点使用电池供电可以工作 3～ 6 个月，可见应用 ZigBee 构建 土壤温度 温 度 的传感执行网络是可行的。 基于 ZigBee 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 (ZigBee 协调器 )和安装在各处的温度监测点(ZigBee 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 ZigBee 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ZigBee 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 [12]。 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 29 所示。 图 温度监测点的结构较为简单 ， 是一组 ZigBee 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 [16]， 同时预留 RS232 通信接口。 具体的电路如图 210 所示。 温度采集点 温度采集点 PC 温度采集点 数据集中器 温度采集点 菏泽学院本 科生毕业设计（论文 ） 13 图 210. 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 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 2 MHz。 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 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 GHz， 并经放大后送到天线发射 [9]。 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 ， 超帧的序号取 0， 对应的活动时间为 ms， 每台 ZigBee 设备仅使用其中的一个时隙 ， 时间为 ms， 占空比约为。 温度监测节点传感器采用一线器件 DS18B20， 其温度测量范围为55125℃ ， 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 [18]。 硬件系统总体设计 图 211 为 ZigBee 无线网络节点的硬件系统总体框图 [10]，该系统由 CC2430 器件模块和 无线收发模块组成。 CC2430 射频器件模块由 CC2430 器件和相关外围电路构成。 虽然 CC2430 内部集成有无线收发器和 8051 内核，可以简化电路设计，在单片机和无线收发器之间不加接口电路也能通信，但通信距离有限。 经测量发现，两个网络节点在空旷地面的通信距离是 10100 m，这个距离有时不能满足应用需要。 在 CC2430 器件与天线之间加一级接口电路即无线收发模块，用来放大接收和发送信息的功率，从而加大数据传送距离 [12]。 R。