基于ZigBee的可自充電式無線溫度傳感監測系統

王二偉+丑修建+劉立+張鵬

摘 要： 考慮到傳統溫度監測系統能耗高、成本高、體積大、線路復雜等問題，設計一種基于ZigBee的無線溫度監測系統。該系統在正常情況下由鋰電池直接供電，在振動環境中通過壓電微能源收集環境振動機械能轉化為電能給鋰電池充電。利用低功耗芯片CC2530和外圍器件搭建硬件電路，使用IAR Embedded Workbench軟件并借助TI公司的Z?Stack編譯軟件，通過LabVIEW軟件進行上位機的設計，借助小體積倒F天線（IFA）進行溫度數據收發。經測試，該系統在空曠區域傳輸距離80 m，能實時通過上位機讀取需要監測區域的溫度，具有一定的可靠性。

關鍵詞：自充電模式； 溫度監測； ZigBee； 倒F天線； 壓電微能源

中圖分類號： TN98?34； TP274 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0099?04

ZigBee?based wireless temperature sensing and monitoring system

with self?charging ability

WANG Erwei， CHOU Xiujian， LIU Li， ZHANG Peng

（MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： Since the traditional temperature monitoring system has the problems of high energy consumption， high cost， large volume and complex routing， a wireless temperature monitoring system based on ZigBee was designed. The system′s power is supplied by its lithium battery directly in normal circumstances. In the vibration environment， the environmental vibration mechanical energy collected by the piezoelectric micro energy is converted into the electrical energy to charge the lithium battery. The low?power consumption chip CC2530 and peripheral devices are used to build the hardware circuit. The Z?stack compiling software developed by TI company and IAR Embedded Workbench software are employed to design the upper computer with LabVIEW software. The temperature data is received and sent by virtue of the small?volume inverted?F antenna （IFA）. The test results show that the transmission distance of the system can reach up to 80 m in the open area， the system can read the temperature in the needing monitoring area through the upper computer in real time， and has a certain reliability.

Keywords： self?charging mode； temperature monitoring； ZigBee； inverted?F antenna； piezoelectric micro energy

0 引 言

在科技迅速發展的今天，無線傳感網絡（WSN）顯得尤為重要。它由各種傳感器節點組成，相互之間進行無線通信，將感知到的結果呈現給觀察者。無線傳感網絡也被美國著名雜志《技術評論》列為對人類生活產生影響的十大新興技術之首[1]。作為一種新興的網絡技術和產業模式，物聯網成為信息領域一次重大的發展和變革，受到國內外廣泛的關注[2]。它通過信息傳感設備，按照約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，是在互聯網基礎上延伸和擴展的網絡[3]。ZigBee技術是開發物聯網可以用到的一個組網技術，具有省電、可靠、廉價、時延短、網絡容量大、安全的優點[4]。借助TI公司開發的Z?Stack協議棧，就可以較為方便地進行編程。基于這種技術，考慮到環境中存在著浪費的振動機械能，開發一套簡單的低成本、小體積且具有自充電能力的無線溫度監測系統其具有一定的現實意義，如應用在礦井下煤機上來監測其在工作時轉軸的溫度變化。本文主要通過芯片LT3331進行電源管理，由鋰電池供電并可在振動環境實現自充電，利用測溫范圍為-55～125 ℃的可編程數字溫度傳感器芯片DS18B20和射頻芯片CC2530來完成溫度數據的采集和無線傳輸，最終由計算機串口來讀取溫度數據，進行監測。

1 總體功能框架

在正常情況（環境中無振動）下通過鋰電池給無線節點供電，保證溫度傳感器和射頻單元的正常工作；在振動環境中，利用壓電微能源收集環境中的振動能，給鋰電池充電，實現自充電。通過ZigBee技術實現無線數據傳輸，最終由上位機進行監測，如圖1所示。

2 電源模塊

本系統選用Volture系列的V21B壓電式振動微能量采集器為節點供電，其體積小、可靠性好、靈敏度高、壽命長。當環境中有振動時，該采集器收集振動機械能，利用壓電效應，將其轉換為電能為節點供電[5?6]。它包含4個引腳，通過串聯方式輸出較大電壓，通過并聯方式輸出較大電流。采用串聯方式獲取較大電壓，通過給振動臺測試系統設置1 g垂直方向加速度來測試能量采集器的電學輸出性能。從8～200 Hz進行掃頻測試，觀察其諧振頻率。測得器件輸出電壓與振動頻率的關系如圖2所示。通過測試：在8～200 Hz振動頻率范圍內，器件開路輸出電壓范圍為0.124～13.204 V，并在諧振頻率41 Hz下輸出達到最大。

能源管理部分采用LTC3331芯片，根據外部環境振動狀況和電池電量狀況，LTC3331內部輸入優先級排序器控制選擇降壓轉換器或降壓?升壓轉換器，完成環境采集能量輸入模式和電池輸入模式的切換。當處于振動環境時，壓電式環境振動能量收集器采集振動能量，電容上開始積累電荷，當Vin電壓高于UVLO上升閾值時，降壓轉換器激活，LTC3331采用環境能量輸入模式為Vout供電，同時內部并聯電池充電器為鋰電池充電；當Vin逐漸耗盡至UVLO下降閾值以下或無振動時，能量輸入模式切換為電池模式供電。基于LTC3331的能源管理電路如圖3所示。

3 射頻模塊

作為發射和接收電磁波的一個重要無線電設備，天線自然也是無線通信系統中的重要一環，它的性能將直接影響到通信系統的品質。對于所設計的無線溫度傳感監測系統來說最重要的就是射頻模塊，它的好壞直接影響到溫度數據的傳輸質量，尤其是天線部分。本模塊采用CC2530與IFA天線相結合。

3.1 原理圖

如圖4所示，本原理圖主要涉及射頻模塊CC2530芯片及其外圍元器件分布以及巴倫電路。本系統采用的是CC2530F256，即具有256 KB的FLASH存儲器。此外，CC2530十分適合需要超低功耗的系統。在原理圖中，外圍元器件在滿足芯片功能的情況下還有濾波及去耦的功能，巴倫電路能使射頻芯片和天線更好地實現阻抗匹配。該電路包含兩個晶振，分別為四引腳32 MB和兩引腳32.768 kHz，CC2530選用兩個晶振確保電路正常工作，X1是主晶振；X2是可選晶振，用于低睡眠電流消耗和精確喚醒時間的應用。P0口、P1口和復位等均全部引出。

3.2 天線部分

考慮到小體積，天線部分沒有采用一般的外置天線，而是印刷在PCB電路板上的倒F（Inverted?F Antenna，IFA）天線。不僅具有交叉極化特性，而且具有等向輻射性[7]。本系統使用的倒F天線的原型是單極子天線，具有體積小、結構簡單、易于匹配和制作成本低等優點，這是本系統選擇它的主要原因。

所用倒F天線用HFSS軟件進行建模并進行仿真，模型如圖5所示。基板選用的是PCB中最常用的玻璃纖維環氧樹脂（FR4），其相對介電常數=4.4，損耗正切=0.05。天線位于模型中介質層的上表面，用一個矩形理想導體平面來代替過孔與地相連[8]。各部分具體參數如圖6所示，H=4 mm，S=5 mm，L=16 mm。

仿真結果如圖7所示，S11參數如圖7（a）所示，可以看出天線的諧振頻率非常接近2.45 GHz，滿足ZigBee可使用的2.4 GHz的ISM頻段，10 dB帶寬約為400 MHz。在諧振頻率點時，S11=-34.81 dB。在射頻微波頻段，使用的饋線通常是50 Ω標準阻抗。所以天線的輸入阻抗盡可能在50 Ω，保證在工作頻帶內能有盡可能小的駐波比。通過查看天線輸入阻抗結果報告，如圖7（b）所示，可以看出天線的輸入阻抗為（51.279 1-1.097 2j） Ω，與50 Ω已非常接近。在無線電通信中，天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發射機的阻抗不匹配，高頻能量就會發生反射折回，并與前進的部分干擾匯合發生駐波。通過仿真，電壓駐波比為1.033 8。圖7（c）為天線平面增益方向圖，仿真結果最大增益為2.893 4 dB。

3.3 電路板

最終設計射頻模塊電路板為30 mm×37 mm，厚度為1.2 mm，相比外置天線體積上小了很多。在設計電路板的過程中，過孔的增多和巴倫電路部分元器件的擺放非常重要，會直接影響到天線的傳輸質量[9]。本設計鋪銅厚度為35 μm，布線寬度為10 mil，模塊PCB圖如圖8所示，實物電路板如圖9所示。

4 程 序

程序借助TI公司的Z?stack協議棧，大大簡化并節省時間，系統所用的編譯軟件為IAR Embedded Workbench，它是瑞典 IAR Systems 公司為微處理器開發的一個集成開發環境，支持ARM，AVR，MSP430等芯片內核平臺。IEEE 802.15.4標準定義了ZigBee協議棧的物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）。ZigBee聯盟在IEEE 802.15.4標準的基礎上定義了網絡層（NWK）和應用層（APL）框架。

波特率為576 000 B/s，每隔2 s發送一個溫度數據，通過接收機實時接收溫度數據給上位機，通過上位機實時讀取溫度數據。部分程序如下：

溫度數據接收程序：

static void appDataRx（） {

BYTE i；

basicRfConfig.myAddr = LIGHT_ADDR；

if（basicRfInit（&basicRfConfig）==FAILED） {

HAL_ASSERT（FALSE）； }

basicRfReceiveOn（）；

while （1） {

while（！basicRfPacketIsReady（））；

if（basicRfReceive（pRxData， APP_PAYLOAD_LENGTH，

NULL）>0） {

if（pRxData[0] == WENDU_CMD ） {

for（i=0；i！=4；i++） {

Tx_buffer[i]=pRxData[i+1]； }

UartTX_Send_String（UartData，5）；

UartTX_Send_String（Tx_buffer，APP_PAYLOAD_

LENGTH?1）；

halLedToggle（LED_BlUE）；

Wait（1）；

halLedToggle（LED_BlUE）；

} } } }

5 溫度顯示

上位機界面計劃采用LabVIEW軟件來設計，它是目前國際上惟一的編譯型圖形化編程語言，把復雜、繁瑣、費時的語言編程簡化成用菜單或圖標提示的方法選擇功能（圖形），使用線條把各種功能連接起來的簡單圖形編程方式[10]。由它設計出的界面相當的直觀漂亮。在底板上通過PL2303芯片實現串口轉USB。該芯片是Prolific 公司生產的一種高度集成的RS 232?USB接口轉換器，它的高兼容驅動可在大多操作系統上模擬成傳統COM 端口，并允許基于COM 端口應用可方便地轉換成USB接口應用，通信波特率高達6 Mb/s。使用的溫度傳感器為DS18B20，精度為±0.5 ℃，與CC2530芯片的VCC，P0.6，GND三個引腳相連接[11?12]。將裝有DS18B20的發射機置于需要監測溫度數據的區域，它會每隔2 s發送所處位置的溫度數據，接收機在一定范圍內就能通過電腦串口實時讀取相應的數據，如圖10所示。

最終在開闊的場地和振動臺測試，發現當發射機與接收機的距離為80 m時，溫度數據仍然可以被較為準確的監測，表明該系統具有一定的可靠性。

6 結 語

本文對基于ZigBee的無線可充電溫度監測系統從硬件原理圖到無線節點程序設計再到上位機都進行了比較詳細的介紹。由于測試條件有限，只是在正常情況下和振動臺上測得節點最大有效距離為80 m，在振動環境中微能源能為鋰電池進行續航，實現自充電。但是，系統并未在實際環境如礦井下的煤機上進行實測，距實際應用還有一定的距離，能夠為一些惡劣環境尤其是振動環境的溫度監測提供設計依據。

參考文獻

[1] 高翔，鄧永莉，呂愿愿，等.基于Z?Stack協議棧的ZigBee網絡節能算法的研究[J].傳感技術學報，2014，27（11）：1534?1538.

[2] WELBOURNE E， BATTLE L， COLE G， et al. Building the Internet of Things using RFID： the RFID ecosystem experience [J]. IEEE Internet computing， 2009， 13（3）： 48?55.

[3] 孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010，33（3）：1?9.

[4] 楊峰，朱凱，徐昕軍，等.面向物聯網的室內ZigBee監控系統設計[J].計算機測量與控制，2014，22（5）：1439?1441.

[5] 佘引，溫志渝，趙興強，等.MEMS壓電陣列振動能量收集器[J].傳感技術學報，2014，27（8）：1033?1037.

[6] 賀婷，楊杰，孔齡婕，等.MEMS壓電?磁電復合式振動驅動微能源的設計[J].傳感技術學報，2015，28（3）：342?346.

[7] 李明洋，劉敏.HFSS天線設計[M].北京：電子工業出版社，2014：160?181.

[8] 彭文均.HFSS和CST應用于過孔模型的協同仿真研究[J].艦船電子工程，2012，32（4）：90?91.

[9] 周濤，姚炯輝.對高頻PCB設計的研究[J].信息化研究，2006，32（11）：34?36.

[10] 高峰，俞立，王涌，等.無線傳感器網絡作物水分狀況監測系統的上位機軟件開發[J].農業工程學報，2010，26（5）：175?179.

[11] 付浩偉，向鳳紅，程加堂，等.基于DS18B20傳感器的溫度數據采集系統的設計[J].機械工程與自動化，2007（6）：130?134.

[12] 張軍.智能溫度傳感器DS18B20及其應用[J].儀表技術，2010（4）：68?69.