基于ZigBee的无线温度采集系统设计

沈慧钧

摘 要：为解决有线式温度采集系统布线不便，设计了一种基于ZigBee技术的无线温度采集系统，使用DS18B20温度传感器采集环境温度，利用CC2530片上系统芯片进行无线数据传输，为实现多点温度采集，选用星形网络拓扑结构。协调器模块通过RF收发器接收各终端节点发送的数据，接收数据可显示在LCD液晶屏上，同时利用USB接口将数据传输到上位机，进行数据分析、处理及保存。该温度采集系统具有成本低、工作稳定、节点易于扩展等优点。

关键词：无线温度采集；ZigBee；CC2530；DS18B20

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.31.093

1 前言

工农业安全生产过程中需要对环境温度进行检测，传统的温度检测方式多采用有线传输方式，使用温度传感器采集环境温度并将温度值传输给单片机，单片机将温度值通过总线将数据传输到控制中心，采用的总线有485总线、Can总线、以太网总线等，有线传输方式具有传输速度快、传输可靠等优点，当对于监控范围广、监测点数量多等复杂环境情況，有线传输方式布线困难、成本高。随着无线通信技术的发展，温度采集传输趋向于无线传输方式，无线传输方式具有使用灵活、覆盖范围广等优点，因此无线温度采集系统将会有广泛的应用市场。

本文设计了基于ZigBee的无线温度采集系统，采用CC2530片上系统芯片作为系统控制器，选用DS18B20温度传感器采集环境温度，利用CC2530芯片内部的RF收发器将温度值无线传输，为实现多点温度采集，选用星形网络拓扑结构。协调器模块通过RF收发器接收各终端节点发送的数据，接收数据可显示在LCD1602液晶屏上，同时利用RS232串口模块将数据传输到上位机，进行数据分析、处理及保存。

2 系统硬件设计

本文设计的无线温度采集系统包括温度采集终端和协调器接收系统，采用ZigBee星形网络拓扑结构。温度采集终端由温度传感器芯片、CC2530片上系统芯片、时钟芯片以及天线组成，该模块系统结构如图1所示。协调器接收系统由CC2530片上系统芯片、接收天线、LCD液晶显示屏和FT232接口转换芯片组成，该模块系统结构如图2所示。

2.1 温度采集终端系统设计

温度采集终端系统实现环境温度采集，温度传感器采集数据传输到CC2530芯片，CC2530片内单片机将接收数据转换成温度数值，同时读取时钟芯片寄存器获取当前时间值，温度值和时间值通过CC2530片内RF模块进行无线发射。

2.1.1 温度采集模块

温度传感器选用美国DALLAS公司生产的DS18B20芯片，该芯片温度测量范围广，测量精度高，可实现-55℃～+125℃范围内的温度采集，且其接口简单，使用一根数据线即可完成温度值的传输。

2.1.2 时钟模块

时钟芯片选用美国DALLAS公司生产的DS1302芯片，该芯片为低功耗时钟芯片，晶振频率为32.768kHz，能够实现对年、月、日、周、时、分、秒的计时，还可实现闰年补偿。DS1302时钟数据传输使用SPI模式。

2.1.3 CC2530模块

CC2530是为实现ZigBee应用而开发的片上系统芯片，内部集成了8051控制器、高效2.4GHz的RF无线收发器、片内RAM和其他功能外设。该芯片结合了基于IEEE802.15.4标准的ZigBee协议栈Z-Stack，可提供完整的ZigBee解决方案。

ZigBee设备类型分为终端设备（End-device）、路由器（Router）和协调器（Coordinator），温度采集终端系统初始化设置为终端设备，系统上电后搜索网络协调器，发出请求信息，连接成功后，该模块将接收到一个16位的从节点地址，采用CSMA-CA机制获得信道使用权，获得使用权后，即可向协调器接收系统发送数据。

2.2 协调器数据接收系统设计

协调器数据接收系统实现无线网络的组建，CC2530内部的RF模块接收各温度采集终端发送的温度及时间数值，并传输到CC2530内部单片机，单片机模块将接收到的温度、时间信息一路发送到LCD液晶显示屏模块实时显示，一路通过FT232模块传输到上位机，以便进行数据分析及存储。

2.2.1 CC2530模块

利用CC2530首先组建无线网络，该模块被初始化为协调器。其内部的RF无线收发器接收各温度采集终端发送的温度及时间值，利用片内单片机将无线接收数据发送到液晶显示屏进行显示，同时将无线接收数据通过FT232模块以USB接口模式发送到上位机。

2.2.2 LCD液晶显示模块

LCD液晶显示屏上显示各温度采集终端采集的温度值及时间信息，为降低系统成本，选用LCD1602液晶显示屏，该显示屏可显示两行数据，每行包含16个字符，各温度采集终端采集发送的数据轮流在液晶屏上显示。

2.2.3 FT232串行通信模块

FT232芯片为USB到UART串行接口转换芯片，由于目前多数笔记本电脑没有RS232接口，使用该芯片CC2530内部单片机可通过USB接口与PC机通信。CC2530内部包含2组串行通信接口，可选用任一组与上位机通信，配置UxGCR寄存器设置串行通信传输速率，本系统中设置波特率为9600bps，8位数据位，1位停止位，无校验位。编写上位机软件，可对接收到的各温度采集终端发送的温度值进行分析、保存。

3 系统软件设计

温度采集终端系统上电后，首先完成对DS18B20、DS1302的初始化，并将该节点初始化为终端设备，然后连接调节器，网络连接成功后，读取温度值和时间值，并将数据发送给协调器，该系统的程序设计流程图如图3所示。

协调器数据接收系统上电后，首先完成对LCD1602和UART串行通信的初始化，将该节点初始化为协调器，然后建立网络，并将温度采集终端加入网络，接收温度采集终端发送的温度和时间值，将接收数据发送到LCD1602液晶显示屏，并通过UART串行输出至上位机。协调器接收系统软件流程图如图4所示。

4 结束语

本文设计了基于ZigBee技术的无线温度采集系统，选用CC2530芯片设计温度采集终端和协调器数据接收系统，建立无线传感网络，采用星型网络拓扑结构实现了多点数据采集，完成了该系统的硬件和软件设计。该系统数据传输可靠，功耗低，节点易于扩展，且硬件结构简单，成本低，可应用于复杂环境下的温度采集，具有一定的实用价值。

参考文献

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