ZigBee無線溫度數據采集系統設計

于 博， 丁高林， 鄭 賓

（中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原 030051）

0 引言

工業無線技術被稱為工業控制領域的革命性技術，是繼現場總線之后的又一個熱點技術，是降低自動化成本、提高自動化系統應用范圍的最有潛力的技術，也是未來幾年工業自動化產品新的增長點。工業控制的無線技術目前主要集中在無線中、短程網方向，基于 802.15.4的ZigBee技術是其中的典型代表[1]。在工業領域，通過ZigBee網絡自動收集各種信息，并將信息回饋到系統進行數據處理與分析，以利于整體信息的掌握，例如汽車的胎壓監測系統，照明系統的感測，電力公司自動抄表系統等，都可以由ZigBee網絡提供相關信息，以達到工業與環境控制的 目的[2]。本文以STC89C52為核心部件，基于ZigBee無線通信技術，并且采用美國Dallas半導體公司的數字化溫度傳感器DS18B20組成了ZigBee無線測溫系統，成功實現了同步溫度實時監測與數據采集。

1 系統硬件設計

系統原理圖如圖1所示，硬件設計包括溫度數據采集端和數據接收端。數據采集端選擇STC89C52控制器、數字溫度傳感器DS18B20和Zi gBee無線發送模塊，數據接收端選擇上位機和ZigBee無線接收模塊。

圖1 系統原理圖

1.1 ZigBee無線通信技術

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術，是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的技術[3-4]。在工業測試當中，人們可以通過ZigBee網絡實現對測試設備的工況監控、及時對設備的故障情況進行預報。

本設計采用順舟科技SZ05系列Z-BEE嵌入式無線串口通信模塊，采用了加強型的ZigBee無線技術，符合工業標準應用的無線數據通信設備，它具有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網靈活等優點和特性；可實現多設備間的數據透明傳輸；可組MESH型的網狀網絡結構。 順舟科技的ZigBee無線模塊已經廣泛地應用在工業無線測控通信、無線傳感器數據采集、智能家居、物聯網、無線照明、智能電網、無線自動抄表系統、無線智能交通、無線測繪儀表數據采集等領域[5]。SZ05模塊如圖2所示，TX2、RX2引腳與控制器串口相連，進行串口通信。

圖2 SZ05模塊功能引腳圖

1.2 數字溫度傳感器

DS18B20支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為 -55℃～+125℃,在 -10℃～+85℃范圍內，精度為±0.5℃。現場溫度直接以一線總線的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。適合于惡劣環境的現場溫度測量，如：環境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等。支持3～5.5 V的電壓范圍，使系統設計更靈活、方便。DS18B20內部結構主要由4部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器[6-8]。DS18B20的外形及管腳排列如下圖3所示，DQ直接接控制器的P1.1口，GND和VDD接電源。

圖3 DS18B20功能引腳圖

2 系統軟件設計

系統軟件設計主要是對溫度數據采集與發送模塊的初始化，系統流程圖如圖4所示。

圖4 軟件系統流程圖

3 系統組合搭建與測試

圖5所示為整個溫度測試平臺，數據采集端采集數據經單片機處理通過無線發送出去，上位機通過無線接收進行數據顯示，整個實驗可以實現靜態溫度顯示和動態溫度顯示。圖6（a）所示為靜態顯示當前實驗室溫度，圖6（b）所示為動態顯示用手對DS18B20進 行加熱實時顯示。測量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內，精度為±0.5℃。

圖5 溫度測試平臺

圖 6 溫度測試調試發送接收

4 結束語

本設計以STC89C52為核心器件，基于ZigBee無線通信技術，結合DS18B20高精度數字溫度傳感器成功實現了溫度的動靜態測試。本系統設計盡量做到硬件電路簡單，減小電磁干擾和其他干擾。系統結構簡單，操作方便，可對其進行功能擴展進行多點溫度測試，該設計在工業測試領域具有廣闊應用前景。

[1]劉任慶,劉莉娜.基于ZigBee技術的工業無線溫度變送器的設計和實現[J].通信技術,2009,6(42):188.

[2]駱晨嵐.ZigBee無線通信技術研究[J].科技資訊,2009,13:18.

[3]凌志浩,周怡頲,鄭麗國.ZigBee無線通信技術及其應用研究[J].華東理工大學學報,20006,7,32(801).

[4]Gislason Drew，Gillman Tim.ZigBee wireless sensor net-works—ZigBee is an emerging wireless protocol designed for low-cost.High-reliability sensor networks[J].Software Toots for the Professional Programmer,2004,29(1):40-42.

[5]順舟科技.SZ05 系列嵌入式無線數傳模塊用戶手冊[R]. 順舟科技,上海,2011:4.

[6]方琨,張娟,蔡振江,等.基于DS18B20數字溫度傳感器的溫室環境采集系統設計及應用[J].安徽農業科學,2010,28(23).

[7]周月霞,孫傳友.DSl820傳感器及其測溫方法的改進[J].石油儀器,2002(12):36-38.

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