基于CC2530的ZigBee無線組網(wǎng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計

摘要：溫度對生活有著極其重要的影響，實時監(jiān)測溫度信息的變化成為必須。本設計使用CC2530芯片作處理器加上射頻前端CC2591組成 ZigBee協(xié)議的無線網(wǎng)絡通信模塊;使用DHT11溫度傳感器采集到的溫度信息通過LPC1114芯片進行采集并分析;主模塊接收各個節(jié)點傳送回來的溫度數(shù)據(jù)，通過RS232串口傳送到上位機，上位機對溫度信息進行分析然后把數(shù)據(jù)以圖表的形式進行交互，方便用戶查看溫度的變化還可預測溫度趨勢。

關鍵詞：CC2530芯片;ZigBee技術;LPC1114芯片;DHT11溫度傳感器;實時溫度監(jiān)測

現(xiàn)代生產(chǎn)、生活都與溫度息息相關，溫度作為人們日常生活指標，影響著人們的行為活動，根據(jù)溫度高低的不同繼而進行應對，溫度也影響著各種生命資源的存在，溫度是構成地球上多種多樣生命的重要因素之一。在住宅小區(qū)、寫字樓、超市、溫室種植場、煤礦井等等環(huán)境下都需要進行溫度的監(jiān)測，確保所有人的生命安全和權益。當下計算機技術和無線通信技術的快速發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)技術、嵌入式技術等都得到了很好的應用，智能化的設計變得越來越受人們所追捧，更多的人才投入到這一領域上來，為物聯(lián)網(wǎng)技術、嵌入式技術等當今比較熱門的技術提供了很好的前提條件。ZigBee技術是現(xiàn)時熱門技術之一，因其具有低功耗、低成本、可靠等特點，因此在物聯(lián)網(wǎng)領域得到很好的應用。針對溫度分布的不均勻性，設計一個采用ZigBee技術組建的無線傳輸網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，可以很好地實現(xiàn)多點溫度的實時監(jiān)測，增大測量范圍和測量的準確性。

1 系統(tǒng)整體架構的搭建

系統(tǒng)主要由溫度采集處理模塊、CC2530無線傳輸模塊、ZigBee通信模塊、上位機模塊等幾部分組成。

1.1 系統(tǒng)模塊功能的介紹

1)溫度采集處理模塊：使用DHT11傳感器實現(xiàn)溫度的測量，測量所得到的數(shù)據(jù)傳輸至ARM處理器進行分析，獲得用戶最終所需的溫度表示形式。

2)CC2530無線傳輸模塊：CC2530芯片組合CC2591射頻前端實現(xiàn)范圍更廣的無線傳輸網(wǎng)絡，監(jiān)測更多的溫度數(shù)據(jù)。

3)ZigBee通信模塊：采用ZigBee協(xié)議組建無線傳輸網(wǎng)絡，實現(xiàn)短距離，低能耗，更多節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)通信。

4)上位機模塊：將下位機收集到的溫度數(shù)據(jù)結合圖形的方式，實時地呈現(xiàn)給用戶。

1.2 系統(tǒng)整體的設計

系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。系統(tǒng)采用ZigBee協(xié)議建立無線通信的星形自組網(wǎng)絡，CC2530芯片負責進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，所有的節(jié)點上均裝有CC2530芯片和CC2591射頻前端。整個系統(tǒng)只需一個主模塊負責收集各個節(jié)點傳送過來的溫度數(shù)據(jù)，然后通過RS232串口實現(xiàn)與上位機的通信，便可以供用戶監(jiān)測某段時間內，某一節(jié)點溫度變化情況。

2 系統(tǒng)硬件的設計

2.1 無線通信網(wǎng)絡的設計

2.1.1 CC2530無線傳輸模塊

系統(tǒng)最核心環(huán)節(jié)就是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信，傳輸模塊采用德州儀器(TI)公司制造的無線射頻收發(fā)芯片CC2530作為硬件核心。CC2530芯片內部集成 IEEE 802.15.4標準，是支持ZigBee應用的一個真正的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，具備工作頻段為2.4 GHz的優(yōu)越RF收發(fā)器，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，其可編程輸出率高達4.5 dBm;CC2530內部集成低功耗的增強型8051 MCU內核，具有256KB的Flash ROM和8KB的RAM，具備在各種電源管理模式下的數(shù)據(jù)保持能力;片外設有8通道輸入并可配置的12位A/D轉換器，2個支持多種串行通信協(xié)議的強大 USART接口，21個通用的GPIO引腳(19個4 mA，2個20mA)，看門狗電路，具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時器，3個通用定時器(1個16位，2個8位)，高級加密標準(AES)安全協(xié)處理器等，支持ZigBee協(xié)議棧的功能;CC2530工作在 -40～125℃的范圍內，CC2530支持2.0～3.6V范圍的電源驅動，數(shù)據(jù)傳輸速率達250kbps，具有工作、休眠和中斷3種模式，其從休眠模式轉到工作模式只需極短時間，消耗功率極低，滿足了本系統(tǒng)進行溫度數(shù)據(jù)傳輸時對電池壽命長和低功耗的要求。CC2530電路原理圖如圖2。

為了增大數(shù)據(jù)的傳輸范圍，因此增加一級功率放大器，設計選取了同為德州儀器(TI)公司所推出的一款高性能RF前端的低功耗的工作在2.4 GHz的射頻設備CC2591，輸出功率可高達22 dBm，通過使CC2591內部的LNA工作在高增益的環(huán)境，能夠進一步抑制NF并提高系統(tǒng)的接收靈敏度，而且CC2591具備自動休眠和喚醒的功能，減輕了系統(tǒng)的耗能;通過放大電路實現(xiàn)功率放大后，在空曠場地的信號傳輸距離最高可達2 000 m，有效地增大溫度數(shù)據(jù)采集的范圍。本系統(tǒng)測試在30 m的距離下進行溫度數(shù)據(jù)采集得到很好的效果。CC2591電路圖與連接圖如圖3。

2.1.2 ZigBee組網(wǎng)技術

ZigBee作為一種新興的雙向無線通信技術，是建立于IEEE 802.15.4無線個域網(wǎng)的標準，使用全球統(tǒng)一無需申請的2.4GHz頻段。ZigBee協(xié)議主要由物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡層(NWK)、應用層(APL)組成，其中遵循IEEE802.15.4標準的有物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)，網(wǎng)絡層 (NWK)與應用層(APL)由ZigBee聯(lián)盟制定。

ZigBee作為一種短距離無線自組網(wǎng)通信技術，以其具有低成本、低功耗、安全性高、低速率、結構簡單、快速可靠等特點，廣泛用于工業(yè)自動化、智能家居、農(nóng)林業(yè)等領域。當ZigBee節(jié)點不處于工作狀態(tài)時自動處于休眠狀態(tài)，表現(xiàn)出ZigBee快速、低功耗等特點，標準的使用情況下壽命可達6～24個月或更長，ZigBee中一個主節(jié)點支持255個子節(jié)點，并且每個節(jié)點分配有唯一的通信地址，組建一個ZigBee網(wǎng)絡最多可擁有65 000個節(jié)點，過程中可以動態(tài)地增加新節(jié)點，多個ZigBee網(wǎng)絡進行連接還可組建成規(guī)模更大的無線通信網(wǎng)絡，采用ZigBee技術可以很方便地實現(xiàn)分布式的溫度監(jiān)測，使系統(tǒng)壽命更長久，數(shù)據(jù)傳輸更安全可靠。ZigBee傳輸網(wǎng)絡有3種拓撲形式如圖4所示。

1)星形。整個ZigBee網(wǎng)絡以一個節(jié)點為主節(jié)點，負責接收來自其余所有節(jié)點的數(shù)據(jù)，并且與其他擴展模塊實現(xiàn)通信，就像一個星星由中心向周圍發(fā)散，成本低且功耗少。

2)樹形。同樣地具有一個主節(jié)點，但數(shù)據(jù)傳送的形式是由上而下，其余的節(jié)點以枝葉的形式鄉(xiāng)下散開進行數(shù)據(jù)傳送，網(wǎng)絡覆蓋范圍大。

3)網(wǎng)狀。形狀和傳送形式與樹形的相似，但網(wǎng)狀的數(shù)據(jù)可在枝葉之間相互傳送，連成一個個的回路，組成網(wǎng)的形狀，可靠性高。

2.2 溫度采集模塊的設計

2.2.1 LPC1114芯片

本系統(tǒng)負責溫度采集的節(jié)點采用NXP公司ARMCortex—M0內核的LPC1114微處理器將采集回來的溫度數(shù)據(jù)進行分析計算。作為嵌入式應用高性能、低功耗、低成本的32位微處理器，主頻可達到50 MHz，片內集成32KB的Flash，8KB RAM，8道10ADC，4個通用定時器，1個響應快速的IIC接口，共有42個GPIO引腳。LPC1114具有在內核時鐘停止的情況下仍繼續(xù)正常運行的睡眠模式，內核掉電情況下可選擇性進行掉電或運行的深度睡眠模式和處理器停車運行的深度掉電模式。

2.2.2 DHT11溫度傳感器

系統(tǒng)采用DHT11數(shù)字溫度傳感器監(jiān)測溫度變化，作為一款高性價比的溫度傳感器，內部集成一個高性能8位微型單片機，與其內部的濕敏元件和熱敏電阻接在一起，微型單片機把接收到的模擬量轉化成數(shù)字量。DHT11作為一款新型單總線數(shù)字溫度傳感器，工作在3.5～5.5 V，溫度測量范圍在0～50℃，精確度±2℃。DHT11用單線制串行接口，簡化了系統(tǒng)的連接，具有體積小、響應快、控制簡單、低功耗、很強的抗干擾能力，信號可傳達20 m以上等特點。

DTH11通信采用串行的單線雙向通信，數(shù)據(jù)分為整數(shù)和小數(shù)兩部分，每次通信大概經(jīng)歷40 ms左右，DHT11只需要使用5 kΩ上拉電阻在數(shù)據(jù)線長度短于20 m與微處理器進行連接，當大于20 m時選擇適合的上拉電阻即可。在微處理器開啟與DHT11通信，DHT11發(fā)生響應后切換至高速模式，實現(xiàn)快速通信;當數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收結束后DHT11 立即切換回低功耗模式。DHT11外表圍著一個帶格柵的塑料外殼，減少使用時與外界中有害的化學物質接觸，實現(xiàn)長期穩(wěn)定地工作。

3 上位機的設計

上位機軟件使用C#語言進行開發(fā)，語言環(huán)境使用Visual Studio 2010，核心控件為serialPort timer chartControl，以串口的形式實現(xiàn)模塊間的通信。

3.1 DHT11傳感器部分的程序

DTH11溫度傳感器的數(shù)據(jù)正確傳送時通信的格式為：8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位校驗和數(shù)據(jù)，具體程序如下：

3.2 上位機的測試

在主模塊收集好各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，經(jīng)過RS232串口把采集數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦上。RS232通信接口電路采用串行通信方式。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)，RS232串口轉 USB串口發(fā)送到電腦端，電腦串口接收數(shù)據(jù)，打開上位機開始對溫度變化進行監(jiān)測。對數(shù)據(jù)的采集在上位機顯示溫度變化的圖表。測試效果如圖5～6所示。

4 結束語

本系統(tǒng)采用低功耗、低成本的CC2530組建的ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)可靠安全的傳輸，而且星型拓撲的節(jié)點設計能夠對任意位置的溫度數(shù)據(jù)進行采集。整個系統(tǒng)不僅應用到低功耗的元器件，減少了設計的成本，增加使用的壽命;而且測量的范圍很大，實時地對遠距離數(shù)據(jù)進行收發(fā)。經(jīng)過各個模塊之間的友好工作，最終主模塊把采集好的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，在上位機進行顯示和處理，清晰地把數(shù)據(jù)告訴用戶。本系統(tǒng)能夠靈活應用于各種需要進行溫度監(jiān)測的領域上，移植性高。系統(tǒng)設計經(jīng)驗證后表明還系統(tǒng)能基本實現(xiàn)對環(huán)境溫度數(shù)據(jù)變化的采集，滿足環(huán)境溫度監(jiān)測的需求，成本低，功耗低，復雜程度較低，能夠容易地實現(xiàn)對溫度數(shù)據(jù)的實時采集，給溫度采集系統(tǒng)提供了一個很好模型進行參考，能夠給更多人進行學習，實現(xiàn)進一步地對其進行優(yōu)化和擴展，體現(xiàn)出整個系統(tǒng)的設計價值、實用價值和很好的應用前景，促進物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，為人們的生活帶來更大的方便，提升生活的質量。