1. 引言
溫度監(jiān)測系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于對溫度敏感的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等現(xiàn)場，如通信基站機(jī)房、礦井、糧倉、智能家居等環(huán)境中。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)需在所監(jiān)測區(qū)域布置大量的信號傳輸線，體積寵大，成本相對較高，且不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。如何解決傳統(tǒng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用的有線網(wǎng)絡(luò)所帶來鋪設(shè)、維護(hù)等諸多不便已成為目前研究的熱點(diǎn)。本文提出一種基于ZigBee模塊技術(shù)的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測系統(tǒng)，能有效解決上述的問題。ZigBee無線模塊是一種低功耗、低成本、低速率、低復(fù)雜度的雙向的無線通信技術(shù)，它是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主流技術(shù)。以ZigBee技術(shù)組成無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)，由部署在監(jiān)測范圍內(nèi)的微型溫度傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線電通信構(gòu)成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r地感知、收集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的溫度信息，并通過匯聚節(jié)點(diǎn)處理并發(fā)布在服務(wù)器Web網(wǎng)頁上，用戶可以登陸網(wǎng)頁進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。
2.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
2.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用ZigBee模塊自組網(wǎng)的特性，測溫節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)自動組成一個星型網(wǎng)進(jìn)行通信，移動終端（手機(jī)、平板電腦以及個人電腦）通過連接指定網(wǎng)絡(luò)后通過Web瀏覽器訪問溫度數(shù)據(jù)的網(wǎng)頁面顯示界面。如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)框圖
2.2 系統(tǒng)的功能
本系統(tǒng)分為三大模塊：1）溫度感知模塊；2）控制處理以及射頻收發(fā)模塊；3）數(shù)據(jù)接收顯示模塊。主要有兩大功能：1）環(huán)境溫度數(shù)據(jù)無線ZigBee數(shù)據(jù)采集功能：測溫節(jié)點(diǎn)自動對所探測環(huán)境的溫度進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集，通過無線傳輸?shù)姆绞桨巡杉降臏囟葦?shù)據(jù)都發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。2）環(huán)境溫度數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測功能：系統(tǒng)采用的是B/S（Browser/Server）結(jié)構(gòu)，只需一個可以訪問網(wǎng)頁的終端即可遠(yuǎn)程監(jiān)測環(huán)境溫度數(shù)據(jù)。另外可以在網(wǎng)頁顯示界面上按需設(shè)置監(jiān)測環(huán)境溫度的上限值和下限值，環(huán)境溫度一旦超過所設(shè)置的上限值或者低于設(shè)置的下限值就會有相對應(yīng)警報提醒。
3.硬件設(shè)計
本系統(tǒng)采用TI公司開發(fā)的2.4GHz ZigBee片上系統(tǒng)解決方案CC2530的無線單片機(jī)方案。
圖2 CC2530電路
TI公司免費(fèi)提供了ZigBee聯(lián)盟認(rèn)證的全面兼容IEEE802.15.4與ZigBee2007協(xié)議規(guī)范的協(xié)議棧代碼和開發(fā)文檔，并為提供了豐富的開發(fā)調(diào)試工具。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。
CC2530 具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。CC2530具有21個可用I/O、4個定時器、ADC 、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、AES加密/解密內(nèi)核、DAC、DMA、Flash控制器、RF射頻收發(fā)器等眾多外設(shè)。
節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計：測溫的節(jié)點(diǎn)由CC2530與DS18B20數(shù)字溫度傳感器組成，采用電池進(jìn)行供電。CC2530通過單總線通信協(xié)議控制DS18B20數(shù)字溫度傳感器并獲取實(shí)時的環(huán)境溫度值，再發(fā)送到協(xié)議器節(jié)點(diǎn)。DS18B20數(shù)字溫度傳感器與CC2530接口示意圖如圖3所示。
圖3 硬件框架圖
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)直接由上位機(jī)通過USB數(shù)據(jù)線供電。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收所有測溫節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過片內(nèi)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過CC2530 ZigBee開發(fā)底板USB口把數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。
4.軟件設(shè)計
系統(tǒng)組成ZigBee數(shù)傳模塊星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)通信，涉及到協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)的編程。協(xié)議器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行維護(hù)，接收各不同的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的溫度信息融合后再進(jìn)行控制。終端節(jié)點(diǎn)必須加入?yún)f(xié)調(diào)器組建的網(wǎng)絡(luò)中，并開始定期采集溫度并發(fā)送到協(xié)調(diào)器上。協(xié)調(diào)器把融合后的溫度經(jīng)過串口發(fā)布在Web服務(wù)器上，供指定用戶登陸站點(diǎn)進(jìn)行訪問。
協(xié)調(diào)器上電后，根據(jù)編譯時指定的參數(shù)，選擇適合當(dāng)前通信環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)號以及信道來建立星形網(wǎng)。協(xié)調(diào)器的程序圖如圖4所示。
圖4 協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)軟件流程圖
終端節(jié)點(diǎn)上電并初始化硬件以及協(xié)議棧后，會搜索是否存在著對應(yīng)編號的ZigBee數(shù)傳模塊網(wǎng)絡(luò)，如果存在則加入對應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)，然后啟動定期采集溫度數(shù)據(jù)，并發(fā)送至協(xié)調(diào)器。W e b服務(wù)器顯示界面是基于M y E c l i p s eEnterprise Workbench 9.0平臺的，用Jsp技術(shù)實(shí)現(xiàn)的基于Web的串口通信方法。頁面利用Jsp技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示功能，然后利用JavaBean和Servlet在后臺獲取串口的數(shù)據(jù)，并通過Json對象將數(shù)據(jù)傳送到前端頁面。最后利用Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頁面的定時自動刷新更新數(shù)據(jù)，以及利用JavaScript技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頁面按鈕和功能事件的觸發(fā)。
5.顯示界面
網(wǎng)頁顯示界面分為數(shù)據(jù)顯示區(qū)域和參數(shù)設(shè)置區(qū)域兩大部分。顯示區(qū)域內(nèi)分別顯示傳感器編號、獲取時間以及溫度值共三項(xiàng)數(shù)據(jù)內(nèi)容。
參數(shù)設(shè)置區(qū)域里需要設(shè)置的主要參數(shù)有四個，分別是串口號、波特率、高溫警告和低溫警告，其他均保持默認(rèn)即可。顯示界面可以獲取各個節(jié)點(diǎn)發(fā)送回來的溫度數(shù)據(jù)，且用戶通過高溫警告與低溫警告來進(jìn)行溫度保護(hù)。
圖5 工作界面
6.結(jié)論
本文通過利用ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對溫度敏感的環(huán)境實(shí)施遠(yuǎn)程ZigBee數(shù)據(jù)采集。
可以通過布置多個ZigBee數(shù)傳模塊終端節(jié)點(diǎn)來監(jiān)控多個區(qū)域的溫度，可以應(yīng)用的范圍的很廣，該系統(tǒng)具有低功耗，低成本，結(jié)構(gòu)簡單，無人值守，檢測準(zhǔn)確度高，抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，能夠長時間穩(wěn)定地工作，具有很高的應(yīng)用價值。