基于ZigBee的現(xiàn)場安全溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 應用芯片簡介
Freescale公司推出的MCl3213是一款可以搭建符合IEEE802．15．4標準的2．4 GHz低功耗收發(fā)器平臺的集成MCU。它通過內(nèi)部SPI連接RF和HCS08，具有低功耗、高集成度等優(yōu)點，同時擁有豐富的外部接口資源。
LM75A是具有高速I2C總線接口的集成數(shù)字溫度傳感器，內(nèi)部Temp寄存器存放一個11位二進制數(shù)的補碼，用來在-55～+125℃的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)0．125℃的精度。
FT232BL是一款USB接口轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)USB到串行UART接口的轉(zhuǎn)換，有多種電路設計方式，配合使用EEPROM可存儲USB VID、PID等產(chǎn)品描述信息。
LCDl602是一款內(nèi)嵌驅(qū)動及字符的液晶顯示模塊。由于MCl3213的I／O數(shù)目的限制，其采用4線數(shù)據(jù)的連接方式，將8位數(shù)據(jù)分兩次各4位地間接傳送。
SP3220E為TTL轉(zhuǎn)RS-232的電平轉(zhuǎn)換芯片。
2．2 硬件電路設計
圖3為硬件電路的邏輯結(jié)構(gòu)圖。

針對系統(tǒng)的低功耗及低成本，根據(jù)所要實現(xiàn)的功能在圖3的基礎(chǔ)上進行篩選。ZED、ZR、ZC分別采用不同的設計電路，其篩選組合的方式如表1所列。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 軟件設計思想
為了實現(xiàn)溫度監(jiān)控與空間定位的功能，系統(tǒng)網(wǎng)絡中的各類設備須相互通信、協(xié)調(diào)合作。軟件設計思想如圖4所示。ZED利用攜帶的LM75A周期性地檢測生產(chǎn)現(xiàn)場的溫度，然后在LCDl602上實時顯示溫度信息以供現(xiàn)場操作，并向ZR和ZC發(fā)送溫度數(shù)據(jù)；ZR主要是度量接收ZED數(shù)據(jù)的RSSI／LQI值，并發(fā)送給ZC以達到對ZED空間定位的目的；ZC接收來自ZED及ZR的數(shù)據(jù)，通過USB／RS-232接口與上位機VB程序及Internet，網(wǎng)絡通信，利用上位機監(jiān)控軟件或遠程網(wǎng)絡，集中在線對整個ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)和ZED生產(chǎn)現(xiàn)場進行安全溫度的監(jiān)控。

3．2 溫度檢測程序的設計
LM75A內(nèi)部A／D每隔100 ms執(zhí)行一次溫度一數(shù)字的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的11位二進制數(shù)的補碼數(shù)據(jù)存放進Temp寄存器中，從而實現(xiàn)0．125 ℃的溫度精度。系統(tǒng)需要注意讀取LM75A溫度數(shù)據(jù)的頻率，并且應將讀取Temp中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實際真實的溫度值。
若Temp數(shù)據(jù)的MSB位D10=O，則溫度是一個正數(shù)：
溫度=(Temp中的數(shù)據(jù))×O．125℃ (1)
若Temp數(shù)據(jù)的MSB位D10=1，則溫度是一個負數(shù)：
溫度=(Temp中的數(shù)據(jù)二進制補碼)×O．125℃ (2)
為了兼顧現(xiàn)場顯示與遠程監(jiān)控，ZED依據(jù)式(1)、(2)利用C語言的移位等命令獲得實際溫度值，并在LCDl602上實時顯示(當現(xiàn)場溫度超過設定的安全范圍時，蜂鳴器報警)，而直接讀取Temp的兩個字節(jié)發(fā)送至ZigBee網(wǎng)絡中。
3．3 空間定位的實際數(shù)學模型
為了獲得LQI值與距離d之間的數(shù)學關(guān)系，系統(tǒng)需要對不同的d測量大量接收數(shù)據(jù)的LQI值。以一片開闊的籃球場作為實驗基地，利用卷尺等工具在0～64 m范圍內(nèi)測量LQI值。在相同的d距離下連續(xù)測量不同方向的60組數(shù)據(jù)，并將10個最值濾波舍去，求平均值作為該距離d的LQI。然后，利用Matlab軟件對各距離下的LQI-d數(shù)值進行一個分段對數(shù)函數(shù)的曲線擬合，求得實際數(shù)學模型。擬合曲線如圖5所示。

由于實測LQI值易受干擾，波動性較大不穩(wěn)定，因此對ZED空間定位時在一個周期內(nèi)連續(xù)測量24組數(shù)據(jù)，然后濾去4個最值求取平均值作為定位的LQI。為了提高系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性，定位應用程序根據(jù)式(3)在上位機中采用VB語言進行編寫，從而減輕了ZigBee網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)處理負擔。