《電子技術(shù)應(yīng)用》
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分布式無(wú)線溫度報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
張金榜 劉 軍
摘要: 針對(duì)溫度數(shù)據(jù)采集與傳輸過(guò)程中存在的布線繁瑣,、維護(hù)困難、擴(kuò)展性差等問(wèn)題,,將ZigBee技術(shù)與溫度采集技術(shù)有機(jī)融合,,設(shè)計(jì)出一種分布式無(wú)線溫度報(bào)警系統(tǒng),該系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)組網(wǎng),,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度的監(jiān)測(cè)與報(bào)警,。具有使用方便、布設(shè)靈活,、成本低,、數(shù)據(jù)傳輸可靠的特點(diǎn)。
Abstract:
Key words :

在糧庫(kù)溫控系統(tǒng),、冷庫(kù)溫控系統(tǒng),、智能化建筑控制系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)等眾多應(yīng)用系統(tǒng)中都需要多點(diǎn)分布式" title="分布式">分布式溫度" title="溫度">溫度測(cè)量系統(tǒng),。傳統(tǒng)的多點(diǎn)分布式溫度報(bào)警系統(tǒng)" title="報(bào)警系統(tǒng)">報(bào)警系統(tǒng)大多采用有線傳輸方式,,布線繁瑣、耗材多,、造價(jià)高,、功耗大、擴(kuò)展性能差,、更新升級(jí)代價(jià)大,、影響美觀。而且由于采用硬線連接,,線路容易老化或遭到腐蝕,、磨損等,故障發(fā)生率和誤報(bào)率高,。
    本文將ZigBee技術(shù)與溫度測(cè)量技術(shù)結(jié)合起來(lái),,構(gòu)成單總線、低功耗,、抗干擾能力強(qiáng),、組網(wǎng)靈活的分布式無(wú)線溫度報(bào)警系統(tǒng),避免了有線系統(tǒng)帶來(lái)的諸多不便,,提高了溫度采集監(jiān)控的性能,。

1 分布式無(wú)線溫度報(bào)警系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
   
分布式無(wú)線溫度報(bào)警系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成: 溫度采集終端,、協(xié)調(diào)器和監(jiān)控終端。分布式無(wú)線溫度報(bào)警系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示,。


    其中溫度采集終端功能為完成溫度信息的自動(dòng)采集和無(wú)線傳輸,。協(xié)調(diào)器功能為負(fù)責(zé)整個(gè)傳輸系統(tǒng)的初始化,提供安全管理服務(wù),,通過(guò)串口接口與監(jiān)控終端的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,。監(jiān)控終端的功能為對(duì)協(xié)調(diào)器設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并作出相應(yīng)的處理。

2 溫度采集終端硬件設(shè)計(jì)
   
溫度采集終端由CC2430,、DS18B20,、RT9002、LED,、電源電路等組成。智能型溫度傳感器DS18B20的輸出為數(shù)字信號(hào),,直接連接到CC2430的I2C口,。采集終端采用電池供電方式,5V鋰電池經(jīng)XC6221A302MR降壓至3.3V供終端節(jié)點(diǎn)使用,。采集終端硬件部分原理圖如圖2所示,。


2.1 CC2430芯片介紹
   
CC2430是Chipeon公司推出的用來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議,。該芯片延用以往CC2420芯片的結(jié)構(gòu),,在單個(gè)芯片上集成ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器,。它使用一個(gè)8位MCU(8051),,具有32/64/128kB可編程閃存
和8kB的RAM,還包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),、幾個(gè)定時(shí)器,、AES-128安全協(xié)議處理器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器,、上電復(fù)位電路和掉電檢測(cè)電路,。CC2430的低功耗無(wú)線通信能力、高性能的處理和傳輸能力以及網(wǎng)絡(luò)容量大等獨(dú)特的設(shè)計(jì)使其成為分布式無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)的最佳選擇之一,。
2.2 DS18B20芯片介紹
   
DS18B20是美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的“一線總線”接口的數(shù)字化傳感器,。其具體功能特點(diǎn)為:3.0~5.5V單電源供電;微型化,、低功耗,、抗干擾能力強(qiáng)、易與微處理器接口,;溫度測(cè)量范圍為-55~+125℃,,測(cè)溫分辨率可達(dá)0.5℃,;3引腳TO-92小體積封裝(GND腳接地,DQ腳作為信號(hào)線,,VCC腳接電源),;可編程為9~12位A/D轉(zhuǎn)換精度;只需一根端口線就能與MCU通訊,;每只DS18B20有惟一的序列號(hào)并可存入其ROM中,,便于實(shí)現(xiàn)多芯片多點(diǎn)測(cè)量;在使用中不需要任何外圍元件,;用戶(hù)可自設(shè)定非易失性的報(bào)警上下限值,。本系統(tǒng)采用DS18B20可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)可靠性,,能較好地對(duì)環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)所進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間溫度采集,。

3 協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)
   
協(xié)調(diào)器是分布式無(wú)線溫度報(bào)警系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)溫度采集終端的自動(dòng)組網(wǎng),,接收采集終端的溫度信息并將其上傳給監(jiān)控終端,。協(xié)調(diào)器由CC2430、RT9002,、LED,、電源電路、串口電路等組成,。CC2430通過(guò)RS-232和監(jiān)控終端進(jìn)行通信,,MAX232實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS-232電平的轉(zhuǎn)換,然后通過(guò)9針串口和監(jiān)控終端進(jìn)行通信,,其中MAX232的TXD/RXD端分別接CC2430的P0.3/P0.2端口,。狀態(tài)指示燈接CC2430的P2.0口,當(dāng)模塊初始化完成后,,狀態(tài)指示燈亮,,表明協(xié)調(diào)器工作正常。協(xié)調(diào)器的電源供應(yīng)為市電,,不需要更換電池,,而且不必?fù)?dān)心協(xié)調(diào)器電源耗盡。市電經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為6~12V直流電,,然后送RT9002芯片轉(zhuǎn)換成3.3V直流電供協(xié)調(diào)器使用,。天線設(shè)計(jì)要注意阻抗匹配,CC2430射頻輸入,、輸出匹配電路主要用來(lái)匹配芯片的輸入輸出阻抗,,使其輸入輸出阻抗為50 Ω,同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置,。硬件部分原理圖如圖3所示,。



4 監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)
   
監(jiān)控終端由8031,、7406、PB2130UP002A(壓電式蜂鳴器),、電源電路等組成,。8031通過(guò)RS-232接收協(xié)調(diào)器上傳的數(shù)據(jù),MAX232實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS-232電平的轉(zhuǎn)換,,其中MAX232的TXD/RXD端分別接8031的P3.0/P3.1口,。低電平驅(qū)動(dòng)器7406實(shí)現(xiàn)TTL電平轉(zhuǎn)換,7406的輸入端接803 1的P1.0口,,輸出端與PB2130UP002A連接,。當(dāng)被監(jiān)測(cè)溫度超過(guò)設(shè)定門(mén)限值時(shí),8031的PL0口輸出高電平“1”,,7406的輸出為低電平“0”,,使壓電蜂鳴器獲得將近5V的直流電壓,產(chǎn)生蜂鳴音,。當(dāng)被監(jiān)測(cè)溫度低于設(shè)定門(mén)限值時(shí),,P1.0口輸出低電平“0”,7406的輸出端升高約+5V,,壓電蜂鳴器的兩端直流電壓降至接近于0V,無(wú)蜂鳴音,。監(jiān)控終端的電源供電應(yīng)為市電,,市電經(jīng)變壓器轉(zhuǎn)換為6~12V直流電,然后送78L05穩(wěn)壓集成電路轉(zhuǎn)換成5V直流電供蜂鳴器使用,。硬件部分原理圖如圖4所示,。



5 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)論
   
根據(jù)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,構(gòu)造了含四個(gè)溫度采集終端的分布式無(wú)線溫度報(bào)警系統(tǒng),。系統(tǒng)測(cè)試是將四個(gè)zigBee節(jié)點(diǎn)分布到一個(gè)大倉(cāng)庫(kù)的四個(gè)角落里,,ZigBee節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的距離在50m左右。測(cè)試結(jié)果為:當(dāng)被測(cè)溫度在高于閾值上限或低于閾值下限時(shí),,蜂鳴器工作,,說(shuō)明溫度此時(shí)處于不正常狀態(tài),需要做出相應(yīng)的處理,;當(dāng)溫度在閾值范圍內(nèi)浮動(dòng)時(shí),,蜂鳴器不工作,說(shuō)明此時(shí)溫度處于正常狀態(tài),。
    系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明:本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)溫度信息的采集,、無(wú)線傳輸,監(jiān)控終端對(duì)接收到的溫度信息做出相應(yīng)的處理,,達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的,,有一定的實(shí)用價(jià)值,。

6 結(jié)束語(yǔ)
    ZigBee無(wú)線通信技術(shù)解決了分布式有線溫度采集系統(tǒng)布線繁瑣,維護(hù),、升級(jí),、擴(kuò)展困難等問(wèn)題。用DS18B20來(lái)測(cè)量溫度,,解決了傳統(tǒng)溫度采集硬件電路復(fù)雜的問(wèn)題,。ZigBee技術(shù)和DS18B20的結(jié)合簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì),減少了布線工作量,,降低了系統(tǒng)成本,,提高了測(cè)量精度,增強(qiáng)了抗干擾能力,,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,,增強(qiáng)了實(shí)用性。

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