目前,，很多場合的測溫系統(tǒng)采用的還是有線測溫設(shè)備，由溫度傳感器,、分線器,、測溫機和監(jiān)控機等組成，各部件之間采用電纜連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,。這種系統(tǒng)布線復(fù)雜,、維護困難、成本高,，可采用無線方案解決這些問題,。無線測溫系統(tǒng)是一種集溫度信號采集,、大容量存儲、無線射頻發(fā)送,、LED（或LCD）動態(tài)顯示,、控制與通信等功能于一體的新型系統(tǒng)。
本文從低功耗,、小體積,、使用簡單等方面考慮，基于射頻SoC CC2430和數(shù)字溫度傳感器DS18B20設(shè)計了一個無線測溫系統(tǒng),，整個系統(tǒng)由多個無線節(jié)點和1個基站組成,。無線節(jié)點工作在各個測溫地點，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集和無線發(fā)送,?；九c多個節(jié)點進(jìn)行無線通信，并通過數(shù)碼管將數(shù)據(jù)顯示出來,，同時可以通過RS-232串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC,。
CC2430簡介
CC2430是TI/ChipconAs公司最新推出的符合2.4G IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器.利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kbit/s可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。CC2430的主要性能參數(shù)如下：
(1)工作頻帶范圍：2.400～2.483 5 GHz,；
(2)采用IEEE802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴頻方式,；
(3)數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbit/s碼片速率達(dá)2 MChip/s；
(4)采用o-QPSK調(diào)制方式,；
(5)超低電流消耗（RX:19.7mA,TX:17.4mA）高接收靈敏度（-99 dBm）,；
(6)抗鄰頻道干擾能力強(39 dB)；
(7)內(nèi)部集成有VCO,、LNA,、PA以及電源整流器 采用低電壓供電(2.1～3.6V)；
(8)輸出功率編程可控,；
(9)IEEE802.15.4 ＭＡＣ層硬件可支持自動幀格式生成,、同步插入與檢測、16bit CRC校驗,、電源檢測,、完全自動MAC層安全保護(CTR,CBC－MAC,CCM)；
(10)與控制微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口),；
(11)采用QLP-48封裝,，外形尺寸只有７×７ｍｍ。CC2430只需要極少的外圍元器件,，其典型應(yīng)用電路如圖２所示,。它的外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3個部分。
芯片本振信號既可由外部有源晶體提供,，有晶振1為基于CC2430芯片的ZigBee在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用 32 MHz, 晶振2為32.768 kHz,。 射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為60 Ω,，同時為芯片內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置,。
CC2430可以通過4線SPI總線(SI、SO,、SCLK,、CSn)設(shè)置芯片的工作模式 并實現(xiàn)讀／寫緩存數(shù)據(jù) 讀／寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射／接收緩存器,。注意：在SPI總接口上進(jìn)行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是MSB優(yōu)先的,。
CC2420片內(nèi)有33個16比特狀態(tài)設(shè)置寄存器,在每個寄存器的讀／寫周期中,SI總線上共有24比特數(shù)據(jù),分別為:1比特RAM／寄存器選擇位(0:寄存器，1:RAM),1比特讀／寫控制位(0:寫,，1:讀),6比特地址選擇位,、16比特數(shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)傳輸過程中CSn必須始終保持低電平,。另外,通過CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計,通過SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時鐘／定時信息的輸入,。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)管腳相連來實現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。CC2430先將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流進(jìn)行變換,每個字節(jié)被分組為兩個符號,每個符號包括4個比特LSB優(yōu)先傳輸,。每個被分組的符號用32碼片的偽隨機序列表示,共有16個不同的32碼片偽隨機序列,。經(jīng)過DSSS擴頻變換后,碼片速率達(dá)到2Mchips/s，此碼片序列再經(jīng)過O-QPSK調(diào)制,每個碼片被調(diào)制為半個周期的正弦波,。碼片流通過I/Q通道交替?zhèn)鬏?兩通道延時為半個碼片周期,。
CC2430為IEEE802.15.4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為 頭幀＋數(shù)據(jù)幀＋校驗幀,；PHY層的幀格式為,同步幀＋PHY頭幀＋MAC幀,幀頭序列的長度可以通過寄存器的設(shè)置來改變,。可以采用16位CRC校驗來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的128字節(jié)的緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包和拆包操作,。
DS18B20概述
DS18B20是美國DALLAS公司的“單總線”數(shù)字溫度傳感器，它具有結(jié)構(gòu)簡單,、體積小,、功耗低、無須外接元件,、用戶可自行設(shè)定預(yù)警上下限溫度等特點,。“單總線”結(jié)構(gòu)獨特而且經(jīng)濟,，采用一根I/O數(shù)據(jù)線既可供電又可傳輸數(shù)據(jù),，使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念,。
3引腳封裝的DS18B20形如一只三極管,，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,。主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器,、非易失性的溫度報警觸發(fā)器和配置寄存器,。此外，還有電源檢測模塊,、存儲和控制邏輯器,、中間結(jié)果緩存器和8位循環(huán)冗余校驗碼（CRC）發(fā)生器。
ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的,，可以看作該DS18B20的地址序列碼,，每個DS18B20的64位序列號均不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的,。DS18B20內(nèi)部的RAM由9個字節(jié)的高速緩存器和E2PROM組成,，數(shù)據(jù)先寫入高速緩存器，經(jīng)校驗后再傳送給E2PROM,。通過DS18B20功能命令對RAM進(jìn)行操作,。
DS18B20的測量溫度范圍為-55℃～125℃,在-10℃～85℃范圍內(nèi)，精度為0.5℃,，可編程設(shè)定9～12位的分辨率,，默認(rèn)值為12位，轉(zhuǎn)換12位溫度信號所需時間為750ms（最大）,。檢測溫度由2字節(jié)組成,，字節(jié)1的高5位S代表符號位，字節(jié)0的低4位是小數(shù)部分,，中間7位是整數(shù)部分,。
無線測溫系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計
無線測溫系統(tǒng)主要可分為基站和無線節(jié)點兩大部分。每套系統(tǒng)一般只有1個基站,，包括微控制器及射頻收發(fā)單元,、顯示單元、報警單元,、電源模塊及接口單元,，主要硬件連接。
接口單元是為了方便射頻模塊和PC的通信,，通?？刹捎肦S-232接口、USB接口,、以太網(wǎng)接口等,，其中，RS-232接口是目前PC與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。本文使用RS-232接口,，采用MAX3221芯片實現(xiàn)RS-232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換,。MAX3221是MAXIM公司生產(chǎn)的一種RS-232接口芯片，使用單一電源電壓供電,，電源電壓在3.0～5.5V范圍內(nèi)都可以正常工作,。
基站接收到數(shù)據(jù)后，將溫度信息通過數(shù)碼管（或液晶顯示屏）顯示出來,，根據(jù)需要,，還可以通過RS-232接口與PC進(jìn)行通信。為簡化系統(tǒng),，本設(shè)計直接用CC2430的I0口驅(qū)動數(shù)碼管,，但是I0口不具備數(shù)據(jù)保持能力，需要外接一定大小的上拉電阻,，顯示方法采用掃描法,。采用一個蜂鳴器作為報警裝置，當(dāng)溫度超過設(shè)定范圍時,，鳴叫報警,。射頻天線采用單鞭天線。
無線節(jié)點分布在溫度采集點,，由數(shù)字溫度傳感器DS18B20,、射頻CC2430、天線及電池組成,。在實際應(yīng)用中,，可以有多個無線節(jié)點，它們與基站之間通過射頻進(jìn)行無線通信,。DS18B20有寄生電源和外部電源兩種供電方式,，本文采用外部供電方式，VDD引腳直接連接外部電源,。DS18B20在空閑時,，其D1腳由上拉電阻置為高電平。無線節(jié)點的天線根據(jù)實際需要可選用單鞭天線,陶瓷天線或PCB印制天線
基于CC2430和DS18B20的無線測溫系統(tǒng)工作原理及ZigBee網(wǎng)絡(luò)
在系統(tǒng)中的工作架構(gòu)無線溫度信號控制系統(tǒng)的管理模式就是集中管理,，分級控制,，充分利用現(xiàn)有設(shè)施，按實際現(xiàn)狀先進(jìn)行單個用戶的自適應(yīng)協(xié)調(diào),，然后是主干線的協(xié)調(diào)控制,，實現(xiàn)分布式協(xié)調(diào)的分級控制，最終達(dá)到區(qū)域控制的系統(tǒng)最優(yōu),?！ ?br />
基于CC2430和DS18B20的無線測溫的系統(tǒng),，系統(tǒng)具有以下幾個特點：
(1)整個控制系統(tǒng)的各個模塊具有高集成度、高可靠性和低功耗,、低成本,、體積小等優(yōu)點,，維護保養(yǎng)十分方便,，只需更換相應(yīng)節(jié)點即可，避免了傳統(tǒng)控制線路本身帶來許多麻煩,，從而大大減少了設(shè)備購置成本,，建設(shè)安裝成本和系統(tǒng)維護成本。
?。?）卓越的物理性能,，整個網(wǎng)絡(luò)所使用的無線頻率是國際通用的免費頻段(2.4~2.48 GHz ISM)，傳輸?shù)姆绞绞强垢蓴_能力強的直序擴頻方式（DSSS）,，特別適合在干擾較大的環(huán)境中使用,。
（3）網(wǎng)絡(luò)的自組織,、自愈能力強,，ZigBee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在,，并確定連接關(guān)系,，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；ZigBee自愈功能：增加或者刪除一個節(jié)點,，節(jié)點位置發(fā)生變動,，節(jié)點發(fā)生故障等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù),，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整,，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作,。
結(jié)束語
通過系統(tǒng)的設(shè)計和對于CC2430芯片的使用,，感覺到ZigBee無線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景非常廣闊，CC2430芯片是真正意義上的SOC芯片,，使得我們開發(fā)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)會更加方便,，產(chǎn)品開發(fā)周期會大大縮短。