基于ZigBee的家用水暖設備溫度監測系統設計

殷雪朦 張莉 周剛

摘 要：為解決家用水暖設備溫度難以監測的問題，文章介紹了一種溫度無線監測系統。整個系統采用ZigBee通信方式，硬件部分設計出以STC89C51單片機為核心利用溫度傳感器采集溫度并利用ZigBee實現的單節點和多節點通信，利用實驗對比藍牙和WLAN通信方式具有一定的優勢，為鍋爐溫度監測系統提供了一種解決方案。

關鍵詞：無線監測；溫度監測；WLAN通信；ZigBee通信

1 基于ZigBee的網絡的溫度采集概述

傳統的水暖設備，需要用戶自己根據自身感受估算溫度狀況，這大大增加了用戶使用的難度。本系統主要實現對水暖設備冬天供暖狀況的實時監測。通過在出水位置和各個區域安裝基于ZigBee的網絡的溫度采集節點來測量溫度，并以無線傳輸的方式發送到上位機。通過上位機實時觀察數據，改變了采用人工尋訪估算供熱情況的粗放式供熱方式，方便用戶及時準確地了解供熱狀況并對水暖設備做出調整，從而實現節能減排的目的。

2 無線監測系統方案設計

不同于一些文獻采用有線監測系統[1]，本文的無線監測系統由溫度采集傳感器節點和多個上位機組成，在設計開發中，具體方案如圖1所示。

系統方案是構建一個溫度采集無線傳輸系統。設計的檢測傳感器節點主要由4部分組成：傳感器模塊、單片機模塊、無線通信模塊以及能量供應模塊。同時的監控傳感器節點主要由顯示模塊、單片機模塊、無線通信模塊以及能量供應模塊組成[2]。

在實際工作中由溫度采集傳感器節點采集出水溫度，并由傳感器節點的單片機對數據進行處理，然后通過ZigBee無線傳輸模塊將數據發送給上位機實時顯示給客戶。

采集端采集數據，將采集的數據通過顯示模塊將采集的數據顯示出來。然后通過無線通信模塊將采集的數據發送出去，接收端的無線接收模塊自動識別并接受發送過來的數據，將數據通過單片機串口顯示在液晶顯示屏上。也可以實現多個接收端模塊同時識別發送過來的數據，并在接收端同時顯示接收到的數據。通過串口通信的方式將溫度數據傳輸到無線通信模塊中。

3 無線監測系統方案實現

系統硬件電路以單片機為主，并由無線傳輸模塊，溫度采集模塊，液晶顯示模塊組成。完成溫度采集、液晶顯示、單節點、多節點無線傳輸的功能。該系統溫度采集器件選擇DS18B20溫度傳感器，液晶顯示器件選擇LCD1602模塊，無線傳輸器件選擇ZigBee通信模塊以及選擇了STC89C51作為單片機。單片機通過讀取溫度傳感器采集的數據，通過液晶顯示器將采集到的數據顯示出來，同時通過串口通信的方式將采集到的數據傳送給ZigBee芯片，完成溫度采集傳輸的功能[3]。

基于溫度采集的多節點無線通信系統的軟件部分主要用于連接檢測采集節點的溫度值及存儲處理顯示轉發采集的溫度數據。實現方法是先用DS18B20溫度傳感器采集并將采集到的數據傳輸給單片機，單片機將接收到的數據通過LCD1602液晶顯示模塊顯示出數據并通過串口通行的方式將采集到的數據發送給ZigBee芯片，ZigBee芯片通過軟件配置為實時傳輸模式，方便對數據的獲取、分析，并可以調整ZigBee傳輸的模式，將實時傳輸改成更加省電的定時傳輸。

4 實驗結果與分析

為驗證我們的方案適合在一般城市家用場景中使用，我們進行了兩種實驗分析。（1）我們分析了單節點和多節點的通信方案。單節點方案適用于單個家庭溫度監測，而多節點方案適合與多個家庭分布在多個樓層中共用溫度監測。（2）對比藍牙和WLAN兩種方案，可以看出ZigBee技術在溫度監測場景下的優勢。

4.1 單節點和多節點通信方案實驗分析

實驗采用XCUT調試軟件對ZigBee無線模塊通信配置，可實現基本通信基本參數、工作模式以及單點和多點通信配置等。系統實現單節點無線通信方案，收集到的溫度為人的手指溫度，手指在觸摸DS18B20的時候會使采集的數據發生變化，即在顯示模塊上顯示變化著的數據。實現多節點無線通信方案，收集到的溫度為實驗室室溫，即在不同地方的多塊無線接收模塊接收并顯示相同的數據。在做測距實驗以及無線實時傳輸的實驗，測得實時傳輸的距離是整個房間都可以，隔著墻壁也能很好地傳輸，實驗測的距離大概50 m，可以保證高質量的傳輸。

多節點通信使用了3組無線通信模塊，一組無線模塊使用溫度采集模塊，將采集到的數據發送到單片機，單片機通過串口將數據傳輸到ZigBee模塊，并將數據發送出去。剩下的兩組無線通信模塊負責數據的接收，接收到的數據傳輸到單片機，單片機通過處理將數據顯示在液晶顯示器件上，并且兩組顯示出來的數據相同，并且實現了采集端和多跳實現的兩個監測的數據可以保持實時同傳，即達到ZigBee實現的多節點通信。

4.2 無線通信技術對比分析

藍牙、WLAN和ZigBee是最常見的3種無線通信技術。其中，藍牙是標準的無線通信協議，藍牙通信的特點是低功耗但是傳輸距離較近，它可以基于低成本的收發器芯片完成在短距離的固定設備以及移動設備之間的數據交換。藍牙使用的波段為2 400～2 483.5 MHz。把允許支持WLAN功能的電子設備接入到一個無線局域網的技術叫作WLAN。WLAN技術中想要連接到無線局域網大多數是需要輸入密鑰的；但是無線局域網也可以設置成開放的，即容許一切WLAN范圍內的設備連接到局域網[4]。ZigBee是一種無線連接，可在2.4 GHz（全球通用）、868 MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上工作，分別具有最高250 kbit/s，20 kbit/s和40 kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10～75 m的范圍內，但可以通過增大功率繼續增加。

通過對比以上藍牙，WLAN和ZigBee 3種方案的情況，發現本文采用的ZigBee方法比藍牙傳輸距離遠，與WLAN效果類似，但是由于設計需要的數據新速率不高，所以ZigBee在使用時更加節能省電，并且ZigBee通信方式具有成本低、時延短、低功耗等特點，特別在針對數據量不大的情況下很實用，適合本文研究的家用水暖設備溫度監測系統。

5 結語

水暖設備的溫度監測系統主要完成溫度的采集和多節點無線傳輸，采用以STM89C52單片機為核心器件，溫度采集器件選用DS18B20溫度傳感器，顯示器件使用LCD1602顯示采集到的溫度數據，并通過單片機與ZIGBEE S2芯片通過串口通信方式將溫度數據傳輸給芯片，芯片通過無線傳輸方式將溫度數據傳給接收端端口。為確保數據傳輸的準確性，在發送端和接收端分別安裝上液晶顯示器件，可以更為方便地查看到兩端的數據變化情況，以確保數據傳輸的準確性。

整個溫度檢測方案，無論是在單個家庭使用還是在多個家庭共用的場景下，都可以自由地配網實現。同時對比藍牙和WLAN兩種其他方案，此方案具有更加節能省電、傳輸距離更遠等優勢。

[參考文獻]

[1]張毅剛.單片機原理及接口技術[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[2]任豐泉，黃海寧，林闖.無線傳感器網絡[J].軟件學報，2004（7）：1282-1291. .

[3]顧瑞紅，張宏科.基于ZigBee的無線網絡技術及其應用[J].電子技術應用，2005（6）：1-3.

[4]王汝傳，孫力娟.無線傳感器網絡技術導論[M].北京：清華大學出版社，2012.