基于Zigbee的多路温度数据无线采集系统设计丁凡概要.docx
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基于Zigbee的多路温度数据无线采集系统设计丁凡概要
2013年第8期
仪表技术与传感器
Instrument
Technique
and
Sensor2013No.8
基金项目:
广东省自然科学基金资助项目（10451200501004408;广东韶
关学院校级科研基金资助项目（2010年207号文件收稿日期:
2012－08－27收修改稿日期:
2013－03－22
基于Zigbee的多路温度数据无线采集系统设计
丁
凡,周永明
（韶关学院物理与机电工程学院,广东韶关512005
摘要:
针对传统温度采集系统的布线问题,提出了利用Zigbee技术实现温度数据无线采集的系统方案。
该系统以STM32微控制器和CC2420无线射频芯片作为硬件核心,将采集到的温度数据通过无线传输方式传递到上位机Lab-VIEW;LabVIEW对采集的信号进行分析和处理,实现温度的实时监测和显示。
与传统有线传输方式相比,系统不仅可扩展性较强、安装维护方便,而且成本低,可广泛用于各种温度数据采集工程中。
关键词:
Zigbee;温度;无线;数据采集中图分类号:
TP273
文献标识码:
A
文章编号:
1002－1841（201308－0072－02
DesignofMulti-channelWirelessDataAcquisitionSystemBasedonZigbee
DINGFan,ZHOUYong-ming
（SchoolofPhysicsandMechanical＆ElectricalEngineering,ShaoguanCollege,Shaoguan512005,ChinaAbstract:
Themulti-channelwirlessdataacquistionsystembasedonZigbeewasintroduced,itreplacedthetraditionalwire-linesystem．ThesystmesusedSTM32andCC2420asthehardwaredesigncore,LabVIEWassoftwaredesigningplatform．BasedonZigbeetechnology,
thetemperaturedataweretransferredwirelesslytothehostcomputer．TheLabVIEWanalyzedandprocessedthesamplingsignalstoachievereal-timetemperaturemonitoringanddisplay．Comparedwiththetraditionalcabletransmission,thesys-temcanbewidelyusedforvarioustemperaturedataacquisitionprojectbecauseofitsstrongextensibility,lowcost,easyinstallationandmaintenance．
Keywords:
Zigbee;temperature;wireless;dataacqusistion0
引言
目前,温度数据采集系统大多是通过串口将主控制器采集到温度信息传递到上位机。
然而,在一些不便于布线或者高危作业区域（如对锅炉温度的监测,这种有线传输的方式,可扩展性较差,安装和维护比较困难,成本较高
[1]
。
针对上述情况,提出一种以新一代STM32嵌入式微处理器和Zigbee技术为核心的嵌入式多路温度数据无线采集系统。
该系统利用Zigbee技术功耗极低、系统简单、组网方式灵活、成本低、等待时间短等性能,可以方便地组建传感器网络的特点,实现多路温度数据的无线传输。
该系统具有设计灵活、抗干扰能力强,测量精度高等优点,不需要有线网络的支持,安装简单方便,性价比高,并且可维护性好,实现对温度的实时采集,是一种智能、经济的方案。
1
系统模型和假设
系统在结构上采用模块化设计,根据多路温度数据采集测量的需要,将系统设计为主控制器模块、多路温度数据采集模块、LED显示模块、声光报警模块、Zigbee无线射频模块、上位机模块等。
主控制器模块采集温度数据模块的温度信号,处理和转换后显示在LED上,然后通过Zigbee无线射频模块将处理后的数据通过无线传输方式送给上位机,上位机LabVIEW对传送的数据进行接收处理及温度的显示．系统总体框架如图1
所示
。
图1
系统结构框架图
2系统硬件电路设计2．1
主控制器模块
系统以STM32系列微控制芯片STM32F103Ｒ8为主控制
器。
STM32系列32位闪存微控制器使用专为嵌入式领域开发的Cortex—M3内核,
具有高性能、低功耗、实时性等特点。
STM32提供3种低功耗模式和灵活的时钟控制机制,用户可根据需求合理地优化耗电和性能要求。
STM32F103Ｒ8是增强型系列芯片,
工作频率为72MHz,内置高速存储器,高达128KB的闪存和20KB的SＲAM,通过APB总线连接的外设以及80个I/O接口[2]
。
2．2
Zigbee无线射频传输模块
CC2420是符合2．4GHzIEEE802．15．4协议规范,广泛应
用于无线网络中的低功耗、
低电压的射频收发芯片,只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低。
CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802．15．4标准的要求,可确保短距离通信的有效性和可靠性。
CC2420为工作于2．4GHz免授权频段的
第8期丁凡等:
基于Zigbee的多路温度数据无线采集系统设计73
无线通信提供了一个低成本的完整解决方案。
无线射频模块的功能是以射频模式接收和发送数据。
CC2420通过SPI接口实现与主微控制器（MCU交换数据、发送命令等通信,由于STM32F103系列芯片一般都集成了SPI控制器,因此CC2420射频模块可以很方便地通过SPI总线接口与处理器STM32直接连接并进行数据通信。
CC2420与微处理器STM32F103Ｒ8的接口如图2所示,CC2420通过SPI4条线接口（CSn,SI,SO,SCK直接连接到的STM32F103Ｒ8的4个SPI通信接口,负责数据通信;另外,还有SFD、FIFO、FIFOP和CCA4个引脚与微处理器STM32F103Ｒ8连接,负责表示收发数据的状态。
在这种连接方式中,STM32工作在SPI主模式下;而CC2420射频模块工作在子模式下,由处理器STM32控制,执行有效的数据收发工作
[3]
。
图2Zigbee无线射频模块与STM32的连接图
2．3多路温度数据采集模块电路设计2．3．1
数据采集器件的选择
虽然STM32F103Ｒ8内部自带了温度传感器,但是因为芯
片温升较大等问题,若采用自带的温度传感器,则与实际温度有较大误差。
所以,在系统设计中,采用的“一线总线”接口数字温度传感器DS18B20来实现温度值采集。
2．3．2
多路数据采集驱动方案的选择
根据DS18B20的电气特性及其SPI串行单总线数据传输方式,在使用DS18B20进行多路数据采集时,通常有
“单端口串行驱动”和“多端口并行驱动”两种方案[4]
。
由于系统采用的主控制器STM32F103Ｒ8有80个I/O,且系统本身要求能够对各路温度数据实时采集和显示,所以采用“多端口并行驱动”方法,见图3
。
图3
多端口并行测温连接示意图
利用STM32F103Ｒ8丰富的I/O端口资源,换取对多路DS18B20温度查询和采集的速度,从而实现快速多路温度数据采集、显示系统。
2．4
声光报警模块
超温报警模块采用声光报警,由发光二极管、扬声器及驱
动路电路组成,报警信号由STM32F103Ｒ8从PA－3、4发出,分别驱动发光二极管和扬声器实现报警。
3
系统软件设计
多路温度数据采集系统的软件采用模块化方法进行编程,由下位机数据采集和发送模块软件以及上位机数据接收和监控模块软件组成,均包括初始化程序、发送/接收程序。
初始化程序主要是对STM32主控制器、
CC2420射频芯片、SPI等进行处理;上位机模块将温度传感器采集到的数据包通过STM32F103Ｒ8的SPI接口送至CC2420射频模块发送;接收程序则主要完成数据的接收并进行处理。
下位机软件流程如图4所示,上位机软件流程如图5所示
。
系统上位机软件采用LabVIEW软件来编写实现[5]
。
图6
为上位机LabVIEW前面板所接收到的通道1的温度数值的实时显示图。
实验由STM32F103Ｒ8的PA、
PB端口接收各引脚上所连接的温度传感器DSl8B20采集到的温度数据,采集到的各路数据分别通过CC2420无线射频发送模块用无线方式发射出去;下位机同样通过CC2420无线射频模块来接收数据,然后将数据传递到LabVIEW,以实现各路温度值的实时显示和存储,
随着被测温度的变化,可以在前面板的波形中对温度值进行读取和存储。
4
结束语
系统将先进的Zigbee无线技术引入到本地主控制系统的设计中,实现了与远端上位机的无线通信,整个系统可靠性高、功能全面、可扩展性强,安装和维护简单,成本（下转第78页
78
InstrumentTechniqueandSensorAug.2013
机界面如图3所示
。
图3上位机显示界面
用Kalman滤波器对传感器数据进行融合的过程,需要根据传感器特性及应用的具体环境设置Q矩阵和Ｒ矩阵。
比如,在动态环境下需要适当增大加速度计的噪声协方差阵,在地磁干扰较严重的情况下,需要增大地磁传感器的噪声协方差阵。
实验测试了只用加速度计和地磁传感器时测量输出姿态角和真实姿态角的姿态误差（如图4所示及经过Kalman数据融合后的姿态误差（如图5所示
。
图4
未用Kalman数据融合时输出的姿态角精度
从图5可以看出,经过Kalman滤波以后,姿态角的测量精度从3ʎ提高到了1ʎ;精度较高,能够满足实验需求
。
图5
使用Kalman数据融合后输出的姿态角精度4
结束语
基于MEMS的无线姿态测量系统完成了硬件与软件的设计,难点在于Kalman滤波器参数的调整。
由于受传感器本身精度的限制,所以滤波精度提高的空间有限,但基本能够满足要求。
如果需要高精度的测量,需要使用高精度的传感器。
参考文献:
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究:
[学位论文]
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宇航出版社,1986．
作者简介:
吴春俊（1987—,在读硕士研究生,主要研究方向为液体晃
动实验装置。
E-
mail:
chunjunwu@gmail．com（上接第73页
图6基于LabVIEW的数据采集界面
低廉;同时在上位机的软件设计中,利用LabVIEW设计了可视
化操作界面和监控调试程序,实现了在线动态数据采集、分析、
存储以及实时显示等功能,界面优美、操作简单、实用方便,调
试和实现简单,
加快了系统开发进度,节省了开发时间,降低了开发成本。
系统可广泛地应用于温度测量和性价比要求较高的领域,在多路温度检测中具有广阔的应用背景和实用价值。
参考文献:
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2008,24（8:
174－178．作者简介:
丁凡（1982—,讲师,主要研究领域为无线传感器网络、通信
与信号处理。
E-
mail:
dingfan82@163．com
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