【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 18b20 直接采集傳給單片機(jī)。 圖 23 三級(jí)放大電路圖 Figure 23. Three amplification circuit 計(jì)算機(jī) ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 節(jié)點(diǎn) 1 ZigBee 路由器 51 單片機(jī) 溫度傳感器 溫度傳感器 節(jié)點(diǎn) 2 ZigBee 路由器 51 單片機(jī) 溫度傳感器 溫度傳感器 節(jié)點(diǎn) 3 ZigBee 路由器 51 單片機(jī) 溫度傳感器 溫度傳感器 7 經(jīng)單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，通過 ZIGBEE 無線收 發(fā)模塊進(jìn)行傳送，與單片機(jī)連接在一起的 ZIGBEE 路由模塊與單片機(jī)和傳感器一同組成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，與另外 N個(gè)節(jié)點(diǎn)終端共同組成了一個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)的網(wǎng)絡(luò)。同時(shí) ZigBee 無線傳感器執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)必須要有一個(gè)協(xié)調(diào)器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸與控制中心，并與上位計(jì)算機(jī)相連。如圖 24所示： 圖 24 總體電路圖 Figure 24． Overall circuit diagram 系統(tǒng)的整體工作過程是：首先由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)成功創(chuàng)建 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，然后等待終端節(jié)點(diǎn)加入。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)及傳感器上電后，會(huì)自動(dòng)查找空間中存在的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，找到后即加入網(wǎng)絡(luò)，并把該節(jié)點(diǎn)的物理地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器把節(jié)點(diǎn)的地址信息等通過串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行保存。當(dāng)計(jì)算機(jī)想要獲取某一節(jié)點(diǎn)處的傳感器值時(shí)，只需要向串口發(fā)送相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的物理地址及測(cè)量指令。協(xié)調(diào)器通過串口從計(jì)算機(jī)端收到物理地址后，會(huì)向與其相對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，傳達(dá)傳感器測(cè)量指令。傳感器節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，通過傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，然后將測(cè)量結(jié)果發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并在計(jì)算機(jī) 8 端進(jìn)行顯示。 在系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)上電加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器會(huì)通過 RS232 向 PC 機(jī)發(fā)送新加入節(jié)點(diǎn)的 IEEE 地址。 PC機(jī)將從串口接收到的物理地址和 短地址進(jìn)行存儲(chǔ)，并改變計(jì)算機(jī)中所存儲(chǔ)的房間地圖中的節(jié)點(diǎn)顏色進(jìn)行指示。該程序使用Visual C++6． O 編寫。 上位機(jī)操作主要 部 分 操作界面 主要包括：試驗(yàn)設(shè)置、打開串口／關(guān)閉串口、開始接收、數(shù)據(jù)分析、曲線分析、查找節(jié)點(diǎn)、單步存儲(chǔ)、退出 8 部分。如圖 25 所示 圖 25 操作界面 Figure 25 Operating interface 9 各部分功能介紹 (1)． 試驗(yàn)設(shè)置 1).試驗(yàn)編號(hào) 主要是設(shè)定此次試驗(yàn)的編號(hào)，即試驗(yàn)代碼，以方便下一次對(duì)此次試 驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行查找與操作。設(shè)置好的試驗(yàn)代碼可長期跟蹤操作。如圖 26所示 圖 26 試驗(yàn)設(shè)置 Figure 26. Test setting 2).接收方式 分為單步接收、定時(shí)接收、批量接收三種接收方式。 ① 單步接收：鼠標(biāo)點(diǎn)擊?接收數(shù)據(jù)?一次，程序執(zhí)行一次，即數(shù)據(jù)接收一次。單擊?單步存儲(chǔ)?進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 ② 定時(shí)接收：由下面的定時(shí)時(shí)間來設(shè)定時(shí)間間隔，即隔多長時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收。點(diǎn)擊?停止接受?進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 ③ 批量接收：主要針對(duì)多節(jié)點(diǎn)的大量數(shù)據(jù)接收，默認(rèn)間隔為 1 秒。點(diǎn)擊?停止接受?進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 3） .定時(shí)時(shí)間 只與定時(shí)接收相對(duì)應(yīng)，當(dāng)定義為其他接收方式時(shí)，此欄為灰色。定時(shí)時(shí)間以分鐘為單位，支持小數(shù)點(diǎn)，最多可設(shè)定 20個(gè)數(shù)字。 當(dāng)基本設(shè)置完成后，單擊?確定?按鈕，回到主界面，單擊?取消?按鈕后依舊回到主界面，但是此時(shí)沒有進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)置，需要重新設(shè)置。 (2).打開串口／關(guān)閉串口 由鼠標(biāo)左鍵控制切換，當(dāng)串口打開時(shí)，主界面顯示為＂關(guān)閉串口＂．當(dāng) 10 沒有連接串口時(shí)，會(huì)顯示＂串口連接錯(cuò)誤＂的提示． 注意：當(dāng)準(zhǔn)備接受數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，此處狀態(tài)必須為?打開串口?。 (3).開始接收／停止接收 此操作必須在打開串口時(shí)方可進(jìn)行，當(dāng)沒有打開串口時(shí)，進(jìn)行此操作，為顯示出＂請(qǐng)先打開串口，再接收數(shù)據(jù)＂的提示． (４ ).數(shù)據(jù)分析 數(shù)據(jù)分析界面包括查詢條件和數(shù)據(jù)顯示兩部分．如圖 27 所示 圖 27 數(shù)據(jù)分析 Figure 27. Data analyses 查詢條件包括： 1） 試驗(yàn)編號(hào)選擇 在下拉菜單里可以選擇一個(gè)曾設(shè)置的試驗(yàn)編號(hào)，主要針對(duì)＂試驗(yàn)設(shè)置＂里的＂試驗(yàn)編號(hào)＂，也可以手動(dòng)輸入要查 詢的試驗(yàn)編號(hào)． 2） 節(jié)點(diǎn)選擇 在下拉菜單里可以選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)．此項(xiàng)與＂查找節(jié)點(diǎn)＂界面相關(guān)． 3） 查詢 上面兩部設(shè)定無誤后，單擊?查詢?，完成對(duì)查詢數(shù)據(jù)的相關(guān)顯示。 數(shù)據(jù)顯示包括： 記錄條數(shù) 即為所顯示的數(shù)據(jù)的條數(shù)． 溫度均值 即為本次操作所有溫度數(shù)據(jù)的均值． 溫 度均值 即為本次操作所有 溫 度數(shù)據(jù)的均值． 試驗(yàn)編號(hào) 即為所選擇的試驗(yàn)編號(hào)。 節(jié)點(diǎn) 顯示此試驗(yàn)編號(hào)的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)信息。 溫度 顯示此試驗(yàn)編號(hào)下的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的溫度值。 11 溫 度 顯示此試驗(yàn)編號(hào)下的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的 溫 度值。 試驗(yàn)時(shí)間 顯示此次試驗(yàn)的時(shí)間（小時(shí)、分） 實(shí)驗(yàn)日期 顯示此次試驗(yàn)的日期（年－月－日） 刪除所有記錄 刪除界面所有數(shù)據(jù) 刪除選擇記錄 刪除所選擇的記錄，所選擇的記錄由用戶用手表左鍵單擊一次選擇，若連續(xù)單擊兩次，則會(huì)對(duì)所單擊的數(shù)據(jù)進(jìn)行單條的數(shù)據(jù)刪除。 若沒有進(jìn)行接收或者數(shù)據(jù)無法存儲(chǔ)接收，則當(dāng)單擊?數(shù)據(jù)分析?時(shí)，會(huì)顯示＂數(shù)據(jù)庫連接失敗，無法分析數(shù)據(jù)＂的提示． (５ ).曲線分析 執(zhí)行此操作前，必須設(shè)定一個(gè)數(shù)據(jù)庫對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存．如圖 28 所示 圖 28 曲線分析 Figure 28. Curve analyses 1） 試驗(yàn)編號(hào) 即所要分析數(shù)據(jù)的試驗(yàn)編號(hào)。 2） 節(jié)點(diǎn)選擇 選擇要進(jìn)行曲線分析的節(jié)點(diǎn)。 3） 參數(shù)選擇 可以選擇溫度或者 溫 度作為參數(shù)進(jìn)行曲線分析。 4） 方式選擇 選擇?單節(jié)點(diǎn)顯示?或?多節(jié)點(diǎn)顯示?。單節(jié)點(diǎn)顯示只會(huì)畫出一條曲線，而多節(jié)點(diǎn)顯示時(shí)，將會(huì)有多條不同顏色的曲線進(jìn)行顯示。 5） 曲線表度 分為日期、時(shí)間、日期＋時(shí)間三種顯示方法，對(duì)應(yīng)為曲線顯示時(shí)的橫坐標(biāo)變化，在此應(yīng)該注意的是，坐標(biāo)的間隔是由所輸入數(shù)據(jù)的多少自行設(shè)定的，即當(dāng)數(shù)據(jù)多時(shí)，間隔 大，數(shù)據(jù)少時(shí)，間隔小。 12 完成設(shè)定后，點(diǎn)擊?輸出曲線?即可觀察到所要分析的數(shù)據(jù)形成的曲線。此外，數(shù)據(jù)曲線圖像可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行拉伸。 (６ ).查找節(jié)點(diǎn) 查找節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)． (７ ).單步存儲(chǔ) 與＂單步接收＂相對(duì)應(yīng)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)設(shè)置為單步接受時(shí)，需要點(diǎn)擊此按鈕進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，當(dāng)設(shè)定為其他接收方式時(shí)，此欄為灰色． (８ ).退出 退出操作界面． 對(duì)用戶而言，當(dāng)想要獲取傳感器所測(cè)量區(qū)域 土壤 的溫 溫度等情況時(shí)，只需要點(diǎn)擊 PC機(jī)所顯示的地圖上相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。程序會(huì)調(diào)用已存儲(chǔ)在相應(yīng)位置的傳感器節(jié)點(diǎn)的物理地址，通過串口和 ZigBee 網(wǎng) 絡(luò)向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)量傳感器數(shù)據(jù)的指令，并等待接收傳感器傳回的溫度，并在 PC機(jī)界面進(jìn)行顯示。 實(shí)驗(yàn)表明，節(jié)點(diǎn)的功耗較低，每個(gè)節(jié)點(diǎn)使用電池供電可以工作 3～ 6 個(gè)月，可見應(yīng)用 ZigBee 構(gòu)建 土壤溫度 溫 度 的傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)是可行的。 基于 ZigBee 無線技術(shù)的分布式溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng) ,主要由 1 臺(tái)以 32 位 S3C2410芯片與 CC2420芯片為核心的溫度數(shù)據(jù)集中器 (ZigBee協(xié)調(diào)器 )和安裝在各處的溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn) (ZigBee 設(shè)備 )組成星形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò) .溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由 CC2430 芯片與數(shù)字溫度傳感器 DS18B20組成 .溫度集 中器通過發(fā)送超幀使各 ZigBee設(shè)備與它同步 ,并使各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)周期性地進(jìn)入低功耗狀態(tài) ,以達(dá)到降低功耗的目的 .溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)將采集的溫度值利用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò) ,以無線方式傳輸給溫度集中器 ,溫度集中器在收到溫度監(jiān)測(cè)值后 ,將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫 ,并以數(shù)值和曲線的方式在 數(shù)據(jù)集中器人機(jī)界面上顯示 .數(shù)據(jù)集中器還可以通過串行或以太網(wǎng)與 PC 機(jī)連接傳輸數(shù)據(jù) .系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 29所示 . 圖 Figure 29. Distributing temperature measure system configuration 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單 ,是一組 ZigBee精簡(jiǎn)功能節(jié)點(diǎn) (RFD),由 8路溫度傳感器、射頻收發(fā)芯片和 RS232 串口通信接口組成 .溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要完成各 13 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度測(cè)量 ,并向 FFD 節(jié)點(diǎn)發(fā)送所采集溫度數(shù)據(jù) .同時(shí) ,預(yù)留 RS232 通信接口 .具體的電路如圖 210所示 . 圖 210. 溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)硬件電路 Figure 210. Temperature monitoring hardware circuit 射頻收發(fā)芯片使用 CC2430芯片 ,該芯片內(nèi)部包括了一個(gè)工作頻率為 GHz的直接序列擴(kuò)頻方式射頻收發(fā)器和一顆工業(yè)級(jí) 8051 控制器 .CC2430 天線接收的射頻信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大器和 I/Q 下變頻處理后 ,中頻信號(hào)為 2 MHz,此混合 I/Q信號(hào)經(jīng)過濾波、放大 ,A/D 變換 ,自動(dòng)增益控制 ,數(shù)字解調(diào)和解擴(kuò) ,最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù) .發(fā)射部分基于直接上變頻 .要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入 128 字節(jié)的發(fā)送緩存器中 ,頭幀和起始幀由硬件自動(dòng)產(chǎn)生 .根據(jù) IEEE 標(biāo)準(zhǔn) ,所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流每 4個(gè)比特被 32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后 ,送到 D/A 變換器 ,再經(jīng)過低通濾波和上變頻混頻后的射頻信號(hào) ,最終被 調(diào)制到 GHz,并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射。 由于溫度監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性不強(qiáng) ,因此在傳輸數(shù)據(jù)過程中選用了超幀周期 ,以使各溫度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處于低功耗睡眠狀態(tài)的時(shí)間較長 ,并盡量減少工作電能的需求 .分布式溫度控制系統(tǒng)信標(biāo)選取序號(hào)為 14,對(duì)應(yīng)的信標(biāo)周期為 24 s,超幀的序號(hào)取 0,對(duì)應(yīng)的活動(dòng)時(shí)間為 ms,每臺(tái) ZigBee 設(shè)備僅使用其中的一個(gè)時(shí)隙 ,時(shí)間為 ms,占空比約為 000 762 線器件 DS18B20,其溫度測(cè)量范圍為 55125℃ ,它本身輸出 數(shù)字信號(hào) ,無需外部信號(hào)放大調(diào)理電路 .8 路 DS18B20 硬件以串聯(lián)的方式相連 . 系統(tǒng)總體 設(shè)計(jì) 圖 211 為 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)總體框圖 [10]，該系統(tǒng)由 CC2430器件模塊和無線收發(fā)模塊組成。 CC2430 射頻器件模塊由 CC2430 器件和相關(guān)外圍電路構(gòu)成。雖然 CC2430 內(nèi)部集成有無線收發(fā)器和 8051 內(nèi)核，可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)， 14 在單片機(jī)和無線收發(fā)器之間不加接口電路也能通信，但通信距離有限。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在空曠地面的通信距離是 10100 m，這個(gè)距離有時(shí)不能滿足應(yīng)用需要。在 CC2430 器件與天線之間加一級(jí)接口電路即無線收發(fā)模塊，用來放大接收和發(fā)送信息的功率，從而加大數(shù)據(jù)傳送距離。 圖 211 .ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)總體框圖 Figure 211. ZigBee wireless work node hardware system overall block diagram CC2430 器件模塊 CC2430 器件模塊的電路原理如圖 212 所示，該模塊主要包括 V 和 V 電源濾波電路、芯片晶振電路、巴倫電路和復(fù)位電路。芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶 體提供 ,也可由內(nèi)部電路提供，這里由內(nèi)部電路提供，需外加晶體振蕩器和 2 個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。 R2 和 R3 為偏置電阻，電阻 R3 主要用來為 32 MHz 的晶振提供合適的工作電流。用 1個(gè) 32 MHz 的石英諧振器（ X1）和 2 只電容（ C9和 C10）構(gòu)成 1 個(gè) 32 MHz 的晶振電路。用 1 個(gè) 32． 768 kHz 的石英諧振器（ X2）和 2 個(gè)電容（ C7 和C8）構(gòu)成 1個(gè) kHz 的晶振電路。 CC2430 射頻信號(hào)的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負(fù)載是 115+j180Ω，阻抗匹配電路應(yīng)根據(jù)該數(shù)值 進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)采用 50Ω單極子天線，由于 CC2430 的差分射頻端口具有兩個(gè)端口，而天線是單端口，因此需采用巴倫電路 [11]（平衡 /非平衡轉(zhuǎn)換電路 [12]完成雙端口到單端口的轉(zhuǎn)換。巴倫電路由電感（ L L L5）和電容（ C1 C1 C26）構(gòu)成。 CC2430內(nèi)部使用 V 工作電壓 ,適合于電池供電的設(shè)備 ,外部數(shù)字 I/O 接口使用 V電壓 ,以保持和 V 邏輯器件兼容。 CC2430 片上集成有自流穩(wěn)壓器 ,能將 V電壓轉(zhuǎn)換為 V 電壓，這樣只有 V 電源的設(shè)備無需外加電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常 工作。 C C1 C15 等為去耦電容 ,主要用于電源濾波，以提高器件的工作穩(wěn)定性。 15 圖 212 CC2430器件模塊電路原理圖 Figure 212. CC2430 module circu