一種無線溫度監控系統的設計與實現

尤洋，文小玲，鄒艷華

1.武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205; 2.武漢工程大學郵電與信息工程學院，湖北 武漢 430074

一種無線溫度監控系統的設計與實現

尤洋1，2，文小玲1，鄒艷華1

1.武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205; 2.武漢工程大學郵電與信息工程學院，湖北 武漢 430074

針對傳統的溫度監控系統依靠有線通信存在布線量大、擴展性差、檢修復雜等缺點，設計了基于紫蜂（ZigBee）技術的無線溫度監控系統.系統以STM32F103ZE微處理器和CC2530無線射頻芯片為核心，在ZigBee協議棧（Z－STACK）基礎上建立協調器、終端無線收發模塊，構建星型局域網.終端節點以CC2530為核心，采用K型熱電偶溫度傳感器和脈沖寬度調制交流斬波調壓電路，通過與ZigBee協調器進行無線通信發送實時溫度數據、接收溫度指令信號，并用模糊比例積分微分控制算法實現溫度的實時控制.通過串口通信方式實現協調器與STM32F103ZE之間的數據通信，并在STM32F103ZE上建立友好的人機界面實現溫度的實時監控.實驗結果表明系統實現了溫度的無線監控，其控制精度達到了預期的要求，具有無線傳輸數據可靠、組網簡單、擴展性強、成本低等特點.

紫蜂技術；STM32F103ZE；ZigBee協議棧；模糊比例積分微分；溫度監控

0 引言

溫度監控系統廣泛應用于現代工業、農業及日常生活中，現有大部分依靠有線進行監控，存在需要大量布線、安裝位置固定、可擴展性較差、檢修復雜等缺陷.隨著無線通信技術的日趨成熟，物聯網和無線傳輸技術在工業控制中成為業界研究的熱點，采用無線傳輸技術可以克服有線溫度監控系統的上述缺點.ZigBee采用帶時隙或不帶時隙的載波檢測多路訪問與沖突避免的數據傳輸方法，并通過確認和數據檢測等措施，保證數據的可靠傳輸，且具有組網靈活、成本低、功耗低、抗干擾能力強等優勢［1］，因而在眾多無線傳輸方式中脫穎而出.本文以STM32F103ZE、CC2530無線射頻芯片為核心，在Z－STACK協議?；A上建立協調器、終端無線收發模塊來構建星型局域網，設計了基于ZigBee的無線溫度監控系統.

1 系統總體設計

系統總體結構框架如圖1所示，由上位機STM32F103ZE、ZigBee協調器、ZigBee終端節點三大模塊構成.由于系統節點數量較少，ZigBee協調器與ZigBee終端節點構建星型網絡拓撲結構. ZigBee終端節點通過熱電偶采集溫度信息，通過無線局域網傳輸到ZigBee協調器，接收來自協調器的溫度指令信息、并利用模糊比例積分微分（proportional-integral-derivative，以下簡稱PID）算法控制溫度.ZigBee協調器接收到終端節點溫度信息后上傳到上位機STM32F103ZE. STM32F103ZE的主要功能是接收來自ZigBee協調器的溫度信息、并顯示在液晶屏幕上，通過鍵盤設置各個節點溫度控制指令值并發送給協調器，同時通過串口實現與監控終端個人計算機（personal computer，PC）的通信.

圖1 系統結構框架圖Fig.1Diagram of system structure

2 系統硬件設計

2.1 無線局域網

系統采用星型拓撲網絡結構，網絡結構中主要包括ZigBee協調器，ZigBee終端節點.

2.1.1 ZigBee協調器ZigBee協調器由德州儀器（TexasInstruments，以下簡稱簡稱TI）公司CC2530和射頻專用功率放大器CC2591組成的全功能模塊（full-functional device，以下簡稱FFD）構成. CC2530是一個結合了2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE的高性能片上系統，集成了領先的RF收發器、業界標準的增強型8051CPU、系統內可編程閃存、8 kB RAM等資源.CC2591是TI公司生產的高性價比和高性能射頻專用功率放大器，非常適合低電壓、低功耗的2.4 GHz無線應用［2］.另外，在全功能模塊上安裝天線裝置使得無線傳輸距離更遠.

2.1.2 ZigBee終端節點ZigBee終端節點由ZigBee無線射頻全功能模塊FFD、測溫電路和調壓加熱電路構成.其中，測溫電路采用K型熱電偶作為溫度傳感器，可以直接測量0℃～1 300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度.加熱裝置采用脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，以下簡稱PWM）交流斬波調壓電路加熱電阻絲.

K型熱電偶測溫產生的熱電動勢不僅與熱端溫度有關，還與冷端溫度相關.本系統采用靈敏度較高、線性較好的IN4148作為熱敏元件進行冷端補償、以減少CPU開銷.熱電偶測溫電路原理圖如圖2所示，熱電偶測量溫度信號經過冷端補償及信號調理后輸入到CC2530的12位A／D模擬量輸入通道.

圖2 熱電偶電路Fig.2Thermocouple circuit

加熱電路采用PWM控制N溝道P-MOSFET交流斬波調壓方式，以改變加熱電阻絲兩端的電壓來進行溫度控制.其原理圖如圖3所示，CC2530產生PWM（Pulse Width Modulation）波形，通過驅動電路驅動P-MOSFET進行交流斬波調壓.該電路控制簡單，產生的高頻高次諧波很容易利用很小的電感電容濾掉，可以提高加熱電路中的電能質量、給溫度控制精度提供基本保障［3－5］.

圖3 加熱電路Fig.3Heating circuit

2.2 STM32F103ZE上位機模塊

上位機模塊由STM32F103ZE最小系統和TFTLCD液晶顯示模塊及輸入按鍵構成. STM32F103ZE是意法半導體公司生產的基于Cortex-M3的32位微處理器，最高工作頻率72 MHz，片內Flash容量512kByte，片內SRAM容量64kByte；具有高性能、低功耗、豐富的片內資源等特點. STM32提供了睡眠、待機、停機三種低功耗省電模式和靈活的時鐘控制模式，用戶可合理優化系統. STM32F103ZE采用自帶可變靜態存儲控制器（Flexible Static Memory Controller，FSMC）接口與TFT3.2寸（320*240）液晶模塊相連，更加方便地控制液晶模塊［6］.鍵盤部分采用4個按鍵完成，用KEY1設置溫度、KEY 2加溫度值、KEY 3減溫度值、KEY 4移動設置數據位.

3 系統軟件設計

系統軟件包括ZigBee協調器、ZigBee終端節點程序，STM32F103ZE上位機程序三部分.其中ZigBee協調器節點程序的功能是組建局域網、管理終端節點，實現與STM32F103ZE的通信；ZigBee終端節點程序的功能是采集溫度傳感器信號及無線收發溫度信息，利用模糊PID算法控制加熱裝置；STM32F103ZE上位機程序實現與ZigBee協調器的通信，發送終端節點溫度控制參數，收集、處理及顯示各個節點溫度信息，提供友好的人機界面.

3.1 ZigBee協調器節點程序

ZigBee協調器是本系統的信息中樞，軟件總體設計建立在Z－STACK工作流程基礎上.ZigBee節點程序的核心Z－STACK協議棧在IEEE 802.15.4的物理（Physical，PHY）層和媒體訪問控制（Media Access Control，MAC）層基礎上，設計了網絡（Network，NWK）層和應用（Application，以下簡稱APL）層.在APL層內提供應用支持子（Application support sub－layer，APS）層和設備對象（ZigBee Device Object，ZDO）以及應用框架（Application Framework，AF），用戶可以在應用框架中加入自定義應用對象［7］.Z－STACK內部各層之間采用“原語”進行通訊.Chipcon公司設計的Z－Stack協議棧中提供了一個名為操作系統抽象層（Operating System Abstraction Layer，以下簡稱OSAL）的協議棧調度程序.在協議棧中發生了任何事件，OSAL都可以通過調用相應層的任務，即事件處理函數來處理.

協調器節點程序在應用層定義兩個事件來完成任務：事件1，協調器無線接收終端節點測量溫度，并將溫度發送給STM32F103ZE系統；事件2是通過串口接收上位機STM32103ZE的設置溫度信息，并將設置溫度無線發射到各個終端節點.其流程圖如圖4所示，系統初始化包括初始化各層任務，在APL層建立用戶自定義任務和事件處理函數，然后進入OSAL操作系統運行，不斷查詢任務優先級，當有事件發生時，比較事件對應的任務優先級，進入高優先級任務層的事件處理函數，事件屬于應用層任務時，進入應用層任務查詢事件號1、2，進入對應事件的處理函數.

圖4 協調器節點程序流程Fig.4Coordinator node program flow

3.2 ZigBee終端節點程序

ZigBee終端節點是系統中溫度采集和控制的末梢.軟件總體設計建立在Z－STACK工作流程基礎上，本程序定義兩個事件來完成任務：事件1是終端節點讀取K型熱電偶測量數據，將溫度數據無線發射到協調器；事件2是終端節點無線接收控制溫度數據并采用模糊PID算法控制加熱裝置.

因溫度的純滯后性，采用常規PID控制效果不夠理想.所以采用模糊PID算法控制溫度，其原理框圖如圖5所示.圖5中，R為溫度指令信號，Y為溫度反饋信號.控制算法思路是利用偏差e和偏差變化率ec與PID三個參數（kp、ki、kd）之間的模糊關系，在控制溫度過程中不斷計算e和ec，根據建立的模糊控制規則進行模糊推理，自整定PID參數值，再進行PID控制［8－9］.

圖5 模糊PID控制系統原理框圖Fig.5Diagram of Fuzzy PID control system

PID調節的差分方程為

其中，ΔT為A/D采樣溫度周期.模糊PID控制既實現在線自整定kp、ki、kd參數，也延續了常規PID控制原理簡單、使用方便、魯棒性較強的特點.模糊PID算法的程序流程如圖6所示.

圖6 模糊PID算法程序流程Fig.6Fuzzy PID algorithm flowchart

3.3 STM32F103ZE上位機程序

STM32F103ZE上位機程序由串口通訊模塊，TFTLCD液晶屏驅動、顯示模塊，按鍵設置模塊三部分組成.串口通訊模塊負責收發溫度信息，LCD液晶程序負責顯示溫度信息，按鍵程序負責設置終端溫度［10］，程序流程圖如圖7所示.

圖7 STM32F103ZE程序流程Fig.7STM32F103ZE program flowchart

溫度設置采用按鍵中斷程序完成，液晶顯示程序設計為數值顯示和模擬溫度計光柱等比例顯示，使得監控顯示值更加清晰直觀.

4 系統測試

系統ZigBee節點所用的開發環境是IAR7.60，移植了TI公司的Z－STACK（版本CC2530－2.3.0－1.40）協議棧.STM32F103ZE使用Keil uVision4開發.系統接入三個ZigBee終端節點，以水溫為實驗對象，實驗數據如表1所示.

表1 實驗數據Table 1Experimental data

運行穩定后STM32F103ZE液晶顯示如圖8所示，實驗結果顯示該系統實現了無線溫度監控.由于溫度是一個難控對象，系統模糊PID控制加熱溫度時存在一定的偏差，熱電偶測量較低溫度時精度相對較低導致實驗數據有一定誤差.在實際生產、生活中，可以根據實際情況選擇元器件和控制策略，多進行現場調試來滿足監控精度.

圖8 液晶顯示界面Fig.8LCD interface

5 結語

上述基于ZigBee無線傳輸技術和STM32F103ZE設計的溫度監控系統具備系統穩定、無線傳輸數據可靠、設備組網簡單、可擴展性強、成本低等特點.系統采用的模糊PID控制PWM交流斬波改變加熱電壓控制溫度，滿足了一般生產、生活的精度要求，但交流斬波調壓效率及溫度控制精度仍有較大的改善空間，這是以后深入研究的方向.隨著無線技術在工業應用領域的發展，這種基于ZigBee無線技術的溫度監控技術將會有更多的應用價值和廣闊的前景.

致謝

武漢工程大學研究生教育創新基金提供了資金資助，趙振華教授給予的指導，在此表示衷心的感謝！

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Design of wireless temperature monitoring system based on ZigBee

YOU Yang1，2，WEN Xiao－ling1，ZOU Yan－hua1
1.School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China 2.The College of Post and Telecommunication of WIT,Wuhan 430074,China

Aimed at the poor extension and complicated overhaul of traditional temperature monitoring system，a wireless temperature monitoring system based on ZigBee was designed.In the system，the STM32F103ZE and the CC2530 chip were used to construct coordinator and terminal sensor nodes of star network based on the Z－STACK protocol.As the controller of a terminal sensor node，CC2530 sent real－time temperature data from K－Thermocouple into the ZigBee coordinator，

temperature commands from ZigBee coordinator，implemented fuzzy proportional－integral－derivative control algorithm，and output pulse width modulation signals to alternating current chopper circuit.The data transceiver between coordinator and STM32F103ZE was realized by serial port communication，and the real－time monitoring of temperature was accomplished with the friendly human－computer interface established on STM32F103ZE.Experimental results show that the temperature wireless monitoring and control precision can meet the desired requirements.Furthermore，the designed system is characterized by reliable wireless data transmission，simple networking，strong expansibility and low cost.

ZigBee；STM32F103ZE；Z－STACK；fuzzy PID；temperature monitoring

TB35

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.01.007

本文編輯：陳小平

1674－2869（2015）01－0030－05

2014－12－22

武漢工程大學研究生教育創新基金（CX2013038）

作者介紹：尤洋（1984－），男，湖北荊州人，碩士研究生.研究方向：嵌入式系統.