基于CC2530的ZigBee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)溫度監測系統的設計

摘要：溫度對生活有著(zhù)極其重要的影響，實(shí)時(shí)監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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信模塊;使用DHT11溫度傳感器采集到的溫度信息通過(guò)LPC1114芯片進(jìn)行采集并分析;主模塊接收各個(gè)節點(diǎn)傳送回來(lái)的溫度數據，通過(guò)RS232串口傳送到上位機，上位機對溫度信息進(jìn)行分析然后把數據以圖表的形式進(jìn)行交互，方便用戶(hù)查看溫度的變化還可預測溫度趨勢。

關(guān)鍵詞：CC2530芯片;ZigBee技術(shù);LPC1114芯片;DHT11溫度傳感器;實(shí)時(shí)溫度監測

現代生產(chǎn)、生活都與溫度息息相關(guān)，溫度作為人們日常生活指標，影響著(zhù)人們的行為活動(dòng)，根據溫度高低的不同繼而進(jìn)行應對，溫度也影響著(zhù)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、寫(xiě)字樓、超市、溫室種植場(chǎng)、煤礦井等等環(huán)境下都需要進(jìn)行溫度的監測，確保所有人的生命安全和權益。當下計算機技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)等都得到了很好的應用，智能化的設計變得越來(lái)越受人們所追捧，更多的人才投入到這一領(lǐng)域上來(lái)，為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)等當今比較熱門(mén)的技術(shù)提供了很好的前提條件。ZigBee技術(shù)是現時(shí)熱門(mén)技術(shù)之一，因其具有低功耗、低成本、可靠等特點(diǎn)，因此在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到很好的應用。針對溫度分布的不均勻性，設計一個(gè)采用ZigBee技術(shù)組建的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸，可以很好地實(shí)現多點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)監測，增大測量范圍和測量的準確性。

1 系統整體架構的搭建

系統主要由溫度采集處理模塊、CC2530無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、ZigBee通信模塊、上位機模塊等幾部分組成。

1.1 系統模塊功能的介紹

1)溫度采集處理模塊：使用DHT11傳感器實(shí)現溫度的測量，測量所得到的數據傳輸至ARM處理器進(jìn)行分析，獲得用戶(hù)最終所需的溫度表示形式。

2)CC2530無(wú)線(xiàn)傳輸模塊：CC2530芯片組合CC2591射頻前端實(shí)現范圍更廣的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )，監測更多的溫度數據。

3)ZigBee通信模塊：采用ZigBee協(xié)議組建無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現短距離，低能耗，更多節點(diǎn)的溫度數據通信。

4)上位機模塊：將下位機收集到的溫度數據結合圖形的方式，實(shí)時(shí)地呈現給用戶(hù)。

1.2 系統整體的設計

系統的總體框架如圖1所示。系統采用ZigBee協(xié)議建立無(wú)線(xiàn)通信的星形自組網(wǎng)絡(luò )，CC2530芯片負責進(jìn)行數據的無(wú)線(xiàn)傳輸，所有的節點(diǎn)上均裝有CC2530芯片和CC2591射頻前端。整個(gè)系統只需一個(gè)主模塊負責收集各個(gè)節點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的溫度數據，然后通過(guò)RS232串口實(shí)現與上位機的通信，便可以供用戶(hù)監測某段時(shí)間內，某一節點(diǎn)溫度變化情況。

2 系統硬件的設計

2.1 無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的設計

2.1.1 CC2530無(wú)線(xiàn)傳輸模塊

系統最核心環(huán)節就是實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)通信，傳輸模塊采用德州儀器(TI)公司制造的無(wú)線(xiàn)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(gè)真正的片上系統(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據保持能力;片外設有8通道輸入并可配置的12位A/D轉換器，2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的強大 USART接口，21個(gè)通用的GPIO引腳(19個(gè)4 mA，2個(gè)20mA)，看門(mén)狗電路，具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時(shí)器，3個(gè)通用定時(shí)器(1個(gè)16位，2個(gè)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(dòng)，數據傳輸速率達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(shí)間，消耗功率極低，滿(mǎn)足了本系統進(jìn)行溫度數據傳輸時(shí)對電池壽命長(cháng)和低功耗的要求。CC2530電路原理圖如圖2。

為了增大數據的傳輸范圍，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(guò)使CC2591內部的LNA工作在高增益的環(huán)境，能夠進(jìn)一步抑制NF并提高系統的接收靈敏度，而且CC2591具備自動(dòng)休眠和喚醒的功能，減輕了系統的耗能;通過(guò)放大電路實(shí)現功率放大后，在空曠場(chǎng)地的信號傳輸距離最高可達2 000 m，有效地增大溫度數據采集的范圍。本系統測試在30 m的距離下進(jìn)行溫度數據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(shù)

ZigBee作為一種新興的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是建立于IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)的標準，使用全球統一無(wú)需申請的2.4GHz頻段。ZigBee協(xié)議主要由物理層(PHY)、媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò )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(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)，網(wǎng)絡(luò )層 (NWK)與應用層(APL)由ZigBee聯(lián)盟制定。

ZigBee作為一種短距離無(wú)線(xiàn)自組網(wǎng)通信技術(shù)，以其具有低成本、低功耗、安全性高、低速率、結構簡(jiǎn)單、快速可靠等特點(diǎn)，廣泛用于工業(yè)自動(dòng)化、智能家居、農林業(yè)等領(lǐng)域。當ZigBee節點(diǎn)不處于工作狀態(tài)時(shí)自動(dòng)處于休眠狀態(tài)，表現出ZigBee快速、低功耗等特點(diǎn)，標準的使用情況下壽命可達6～24個(gè)月或更長(cháng)，ZigBee中一個(gè)主節點(diǎn)支持255個(gè)子節點(diǎn)，并且每個(gè)節點(diǎn)分配有唯一的通信地址，組建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )最多可擁有65 000個(gè)節點(diǎn)，過(guò)程中可以動(dòng)態(tài)地增加新節點(diǎn)，多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接還可組建成規模更大的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，采用ZigBee技術(shù)可以很方便地實(shí)現分布式的溫度監測，使系統壽命更長(cháng)久，數據傳輸更安全可靠。ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò )有3種拓撲形式如圖4所示。

1)星形。整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )以一個(gè)節點(diǎn)為主節點(diǎn)，負責接收來(lái)自其余所有節點(diǎn)的數據，并且與其他擴展模塊實(shí)現通信，就像一個(gè)星星由中心向周?chē)l(fā)散，成本低且功耗少。

2)樹(shù)形。同樣地具有一個(gè)主節點(diǎn)，但數據傳送的形式是由上而下，其余的節點(diǎn)以枝葉的形式鄉下散開(kāi)進(jìn)行數據傳送，網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍大。

3)網(wǎng)狀。形狀和傳送形式與樹(shù)形的相似，但網(wǎng)狀的數據可在枝葉之間相互傳送，連成一個(gè)個(gè)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

本系統負責溫度采集的節點(diǎn)采用NXP公司ARMCortex—M0內核的LPC1114微處理器將采集回來(lái)的溫度數據進(jìn)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(gè)通用定時(shí)器，1個(gè)響應快速的IIC接口，共有42個(gè)GPIO引腳。LPC1114具有在內核時(shí)鐘停止的情況下仍繼續正常運行的睡眠模式，內核掉電情況下可選擇性進(jìn)行掉電或運行的深度睡眠模式和處理器停車(chē)運行的深度掉電模式。

2.2.2 DHT11溫度傳感器

系統采用DHT11數字溫度傳感器監測溫度變化，作為一款高性?xún)r(jià)比的溫度傳感器，內部集成一個(gè)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字量。DHT11作為一款新型單總線(xiàn)數字溫度傳感器，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(xiàn)制串行接口，簡(jiǎn)化了系統的連接，具有體積小、響應快、控制簡(jiǎn)單、低功耗、很強的抗干擾能力，信號可傳達20 m以上等特點(diǎn)。

DTH11通信采用串行的單線(xiàn)雙向通信，數據分為整數和小數兩部分，每次通信大概經(jīng)歷40 ms左右，DHT11只需要使用5 kΩ上拉電阻在數據線(xiàn)長(cháng)度短于20 m與微處理器進(jìn)行連接，當大于20 m時(shí)選擇適合的上拉電阻即可。在微處理器開(kāi)啟與DHT11通信，DHT11發(fā)生響應后切換至高速模式，實(shí)現快速通信;當數據的發(fā)送和接收結束后DHT11 立即切換回低功耗模式。DHT11外表圍著(zhù)一個(gè)帶格柵的塑料外殼，減少使用時(shí)與外界中有害的化學(xué)物質(zhì)接觸，實(shí)現長(cháng)期穩定地工作。

3 上位機的設計

上位機軟件使用C#語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，語(yǔ)言環(huán)境使用Visual Studio 2010，核心控件為serialPort timer chartControl，以串口的形式實(shí)現模塊間的通信。

3.1 DHT11傳感器部分的程序

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

3.2 上位機的測試

在主模塊收集好各個(gè)節點(diǎn)的數據，經(jīng)過(guò)RS232串口把采集數據發(fā)送到電腦上。RS232通信接口電路采用串行通信方式。傳輸的數據經(jīng)，RS232串口轉 USB串口發(fā)送到電腦端，電腦串口接收數據，打開(kāi)上位機開(kāi)始對溫度變化進(jìn)行監測。對數據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(yǔ)

本系統采用低功耗、低成本的CC2530組建的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )實(shí)現對傳感器數據可靠安全的傳輸，而且星型拓撲的節點(diǎn)設計能夠對任意位置的溫度數據進(jìn)行采集。整個(gè)系統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(shí)時(shí)地對遠距離數據進(jìn)行收發(fā)。經(jīng)過(guò)各個(gè)模塊之間的友好工作，最終主模塊把采集好的數據發(fā)送到上位機，在上位機進(jìn)行顯示和處理，清晰地把數據告訴用戶(hù)。本系統能夠靈活應用于各種需要進(jìn)行溫度監測的領(lǐng)域上，移植性高。系統設計經(jīng)驗證后表明還系統能基本實(shí)現對環(huán)境溫度數據變化的采集，滿(mǎn)足環(huán)境溫度監測的需求，成本低，功耗低，復雜程度較低，能夠容易地實(shí)現對溫度數據的實(shí)時(shí)采集，給溫度采集系統提供了一個(gè)很好模型進(jìn)行參考，能夠給更多人進(jìn)行學(xué)習，實(shí)現進(jìn)一步地對其進(jìn)行優(yōu)化和擴展，體現出整個(gè)系統的設計價(jià)值、實(shí)用價(jià)值和很好的應用前景，促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，為人們的生活帶來(lái)更大的方便，提升生活的質(zhì)量。