【文章內容簡介】 18b20 直接采集傳給單片機。 圖 23 三級放大電路圖 Figure 23. Three amplification circuit 計算機 ZigBee 無線網(wǎng)絡協(xié)調器 節(jié)點 1 ZigBee 路由器 51 單片機 溫度傳感器 溫度傳感器 節(jié)點 2 ZigBee 路由器 51 單片機 溫度傳感器 溫度傳感器 節(jié)點 3 ZigBee 路由器 51 單片機 溫度傳感器 溫度傳感器 7 經(jīng)單片機處理的數(shù)字信號，通過 ZIGBEE 無線收 發(fā)模塊進行傳送，與單片機連接在一起的 ZIGBEE 路由模塊與單片機和傳感器一同組成一個節(jié)點，與另外 N個節(jié)點終端共同組成了一個數(shù)據(jù)收發(fā)的網(wǎng)絡。同時 ZigBee 無線傳感器執(zhí)行網(wǎng)絡必須要有一個協(xié)調器作為整個網(wǎng)絡的傳輸與控制中心，并與上位計算機相連。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)調器節(jié)點成功創(chuàng)建 ZigBee 網(wǎng)絡，然后等待終端節(jié)點加入。當終端節(jié)點及傳感器上電后，會自動查找空間中存在的 ZigBee 網(wǎng)絡，找到后即加入網(wǎng)絡，并把該節(jié)點的物理地址發(fā)送給協(xié)調器。協(xié)調器把節(jié)點的地址信息等通過串口發(fā)送給計算機進行保存。當計算機想要獲取某一節(jié)點處的傳感器值時，只需要向串口發(fā)送相應節(jié)點的物理地址及測量指令。協(xié)調器通過串口從計算機端收到物理地址后，會向與其相對應的傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，傳達傳感器測量指令。傳感器節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，通過傳感器測量數(shù)據(jù)，然后將測量結果發(fā)送給協(xié)調器，并在計算機 8 端進行顯示。 在系統(tǒng)中，節(jié)點上電加入網(wǎng)絡后，協(xié)調器會通過 RS232 向 PC 機發(fā)送新加入節(jié)點的 IEEE 地址。 PC機將從串口接收到的物理地址和 短地址進行存儲，并改變計算機中所存儲的房間地圖中的節(jié)點顏色進行指示。該程序使用Visual C++6． O 編寫。 上位機操作主要 部 分 操作界面 主要包括：試驗設置、打開串口／關閉串口、開始接收、數(shù)據(jù)分析、曲線分析、查找節(jié)點、單步存儲、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)． 試驗設置 1).試驗編號 主要是設定此次試驗的編號，即試驗代碼，以方便下一次對此次試 驗數(shù)據(jù)進行查找與操作。設置好的試驗代碼可長期跟蹤操作。如圖 26所示 圖 26 試驗設置 Figure 26. Test setting 2).接收方式 分為單步接收、定時接收、批量接收三種接收方式。 ① 單步接收：鼠標點擊?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?進行數(shù)據(jù)存儲。 ② 定時接收：由下面的定時時間來設定時間間隔，即隔多長時間自動進行數(shù)據(jù)的接收。點擊?停止接受?進行數(shù)據(jù)存儲。 ③ 批量接收：主要針對多節(jié)點的大量數(shù)據(jù)接收，默認間隔為 1 秒。點擊?停止接受?進行數(shù)據(jù)存儲。 3） .定時時間 只與定時接收相對應，當定義為其他接收方式時，此欄為灰色。定時時間以分鐘為單位，支持小數(shù)點，最多可設定 20個數(shù)字。 當基本設置完成后，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，但是此時沒有進行試驗設置，需要重新設置。 (2).打開串口／關閉串口 由鼠標左鍵控制切換，當串口打開時，主界面顯示為＂關閉串口＂．當 10 沒有連接串口時，會顯示＂串口連接錯誤＂的提示． 注意：當準備接受數(shù)據(jù)進行實驗時，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方可進行，當沒有打開串口時，進行此操作，為顯示出＂請先打開串口，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） 試驗編號選擇 在下拉菜單里可以選擇一個曾設置的試驗編號，主要針對＂試驗設置＂里的＂試驗編號＂，也可以手動輸入要查 詢的試驗編號． 2） 節(jié)點選擇 在下拉菜單里可以選擇一個節(jié)點或者多個節(jié)點．此項與＂查找節(jié)點＂界面相關． 3） 查詢 上面兩部設定無誤后，單擊?查詢?，完成對查詢數(shù)據(jù)的相關顯示。 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． 試驗編號 即為所選擇的試驗編號。 節(jié)點 顯示此試驗編號的對應節(jié)點信息。 溫度 顯示此試驗編號下的對應節(jié)點的溫度值。 11 溫 度 顯示此試驗編號下的對應節(jié)點的 溫 度值。 試驗時間 顯示此次試驗的時間（小時、分） 實驗日期 顯示此次試驗的日期（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，則會對所單擊的數(shù)據(jù)進行單條的數(shù)據(jù)刪除。 若沒有進行接收或者數(shù)據(jù)無法存儲接收，則當單擊?數(shù)據(jù)分析?時，會顯示＂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，必須設定一個數(shù)據(jù)庫對分析數(shù)據(jù)進行儲存．如圖 28 所示 圖 28 曲線分析 Figure 28. Curve analyses 1） 試驗編號 即所要分析數(shù)據(jù)的試驗編號。 2） 節(jié)點選擇 選擇要進行曲線分析的節(jié)點。 3） 參數(shù)選擇 可以選擇溫度或者 溫 度作為參數(shù)進行曲線分析。 4） 方式選擇 選擇?單節(jié)點顯示?或?多節(jié)點顯示?。單節(jié)點顯示只會畫出一條曲線，而多節(jié)點顯示時，將會有多條不同顏色的曲線進行顯示。 5） 曲線表度 分為日期、時間、日期＋時間三種顯示方法，對應為曲線顯示時的橫坐標變化，在此應該注意的是，坐標的間隔是由所輸入數(shù)據(jù)的多少自行設定的，即當數(shù)據(jù)多時，間隔 大，數(shù)據(jù)少時，間隔小。 12 完成設定后，點擊?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)用戶要求進行拉伸。 (６ ).查找節(jié)點 查找節(jié)點網(wǎng)絡的所有節(jié)點． (７ ).單步存儲 與＂單步接收＂相對應，當實驗設置為單步接受時，需要點擊此按鈕進行數(shù)據(jù)存儲，當設定為其他接收方式時，此欄為灰色． (８ ).退出 退出操作界面． 對用戶而言，當想要獲取傳感器所測量區(qū)域 土壤 的溫 溫度等情況時，只需要點擊 PC機所顯示的地圖上相應的節(jié)點。程序會調用已存儲在相應位置的傳感器節(jié)點的物理地址，通過串口和 ZigBee 網(wǎng) 絡向該節(jié)點發(fā)送測量傳感器數(shù)據(jù)的指令，并等待接收傳感器傳回的溫度，并在 PC機界面進行顯示。 實驗表明，節(jié)點的功耗較低，每個節(jié)點使用電池供電可以工作 3～ 6 個月，可見應用 ZigBee 構建 土壤溫度 溫 度 的傳感執(zhí)行網(wǎng)絡是可行的。 基于 ZigBee 無線技術的分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng) ,主要由 1 臺以 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)調器 )和安裝在各處的溫度監(jiān)測點 (ZigBee 設備 )組成星形結構網(wǎng)絡 .溫度監(jiān)測節(jié)點主要由 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設備與它同步 ,并使各溫度監(jiān)測點周期性地進入低功耗狀態(tài) ,以達到降低功耗的目的 .溫度監(jiān)測點將采集的溫度值利用 ZigBee 網(wǎng)絡 ,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 機連接傳輸數(shù)據(jù) .系統(tǒng)結構如圖 29所示 . 圖 Figure 29. Distributing temperature measure system configuration 溫度監(jiān)測點的結構較為簡單 ,是一組 ZigBee精簡功能節(jié)點 (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)測節(jié)點主要完成各 13 監(jiān)測點的溫度測量 ,并向 FFD 節(jié)點發(fā)送所采集溫度數(shù)據(jù) .同時 ,預留 RS232 通信接口 .具體的電路如圖 210所示 . 圖 210. 溫度監(jiān)測點硬件電路 Figure 210. Temperature monitoring hardware circuit 射頻收發(fā)芯片使用 CC2430芯片 ,該芯片內部包括了一個工作頻率為 GHz的直接序列擴頻方式射頻收發(fā)器和一顆工業(yè)級 8051 控制器 .CC2430 天線接收的射頻信號經(jīng)過低噪聲放大器和 I/Q 下變頻處理后 ,中頻信號為 2 MHz,此混合 I/Q信號經(jīng)過濾波、放大 ,A/D 變換 ,自動增益控制 ,數(shù)字解調和解擴 ,最終恢復出傳輸?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產(chǎn)生 .根據(jù) IEEE 標準 ,所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流每 4個比特被 32碼片的擴頻序列擴頻后 ,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 ,最終被 調制到 GHz,并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射。 由于溫度監(jiān)測的實時性不強 ,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)測節(jié)點處于低功耗睡眠狀態(tài)的時間較長 ,并盡量減少工作電能的需求 .分布式溫度控制系統(tǒng)信標選取序號為 14,對應的信標周期為 24 s,超幀的序號取 0,對應的活動時間為 ms,每臺 ZigBee 設備僅使用其中的一個時隙 ,時間為 ms,占空比約為 000 762 線器件 DS18B20,其溫度測量范圍為 55125℃ ,它本身輸出 數(shù)字信號 ,無需外部信號放大調理電路 .8 路 DS18B20 硬件以串聯(lián)的方式相連 . 系統(tǒng)總體 設計 圖 211 為 ZigBee 無線網(wǎng)絡節(jié)點的硬件系統(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 器件和相關外圍電路構成。雖然 CC2430 內部集成有無線收發(fā)器和 8051 內核，可以簡化電路設計， 14 在單片機和無線收發(fā)器之間不加接口電路也能通信，但通信距離有限。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，兩個網(wǎng)絡節(jié)點在空曠地面的通信距離是 10100 m，這個距離有時不能滿足應用需要。在 CC2430 器件與天線之間加一級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)絡節(jié)點的硬件系統(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、巴倫電路和復位電路。芯片本振信號既可由外部有源晶 體提供 ,也可由內部電路提供，這里由內部電路提供，需外加晶體振蕩器和 2 個負載電容，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 32 MHz 的石英諧振器（ X1）和 2 只電容（ C9和 C10）構成 1 個 32 MHz 的晶振電路。用 1 個 32． 768 kHz 的石英諧振器（ X2）和 2 個電容（ C7 和C8）構成 1個 kHz 的晶振電路。 CC2430 射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負載是 115+j180Ω，阻抗匹配電路應根據(jù)該數(shù)值 進行調整。設計采用 50Ω單極子天線，由于 CC2430 的差分射頻端口具有兩個端口，而天線是單端口，因此需采用巴倫電路 [11]（平衡 /非平衡轉換電路 [12]完成雙端口到單端口的轉換。巴倫電路由電感（ L L L5）和電容（ C1 C1 C26）構成。 CC2430內部使用 V 工作電壓 ,適合于電池供電的設備 ,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電壓轉換為 V 電壓，這樣只有 V 電源的設備無需外加電壓轉換電路就能正常 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