采用ZigBee和GPRS無(wú)線通信方式相結(jié)合的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)通常采用有線傳輸信號(hào)的方式，布線費(fèi)用較高，維修不便。ZigBee 技術(shù)作為一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無(wú)線通信技術(shù)，得到了廣泛的應(yīng)用；GPRS是在現(xiàn)有的GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，這一特點(diǎn)正適合大多數(shù)移動(dòng)互聯(lián)的應(yīng)用。將ZigBee和GPRS引入溫度控制系統(tǒng)中，采用兩種無(wú)線通信方式相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，將有助于解決溫度控制系統(tǒng)信息化、自動(dòng)化程度相對(duì)滯后的問(wèn)題。

1 ZigBee技術(shù)及GPRS技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無(wú)線通信技術(shù)，它依據(jù)IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，定義了不同廠商生產(chǎn)的設(shè)備相互兼容的內(nèi)容，它可以將若干個(gè)微小的傳感器組織起來(lái)通信，這些傳感器只需要很小的能量就可以通過(guò)多跳的方式傳送數(shù)據(jù)。已經(jīng)在許多領(lǐng)域被廣泛使用，如溫度、濕度、光照及氣體濃度等小數(shù)據(jù)量信息的采集與傳輸。

ZigBee的主要特點(diǎn)：

（1 ）低功耗

這是ZigBee技術(shù)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，由于在收發(fā)信息時(shí)功耗比較低，在MAC 層采用休眠機(jī)制，信道接入時(shí)延短，ZigBee 節(jié)點(diǎn)十分省電。節(jié)點(diǎn)的電池使用壽命可達(dá)半年到兩年。

（2 ）低成本

由于ZigBee協(xié)議棧相對(duì)藍(lán)牙、Wi-Fi 簡(jiǎn)單，降低了對(duì)通信控制器件的要求，可以降低器件成本，加上ZigBee 協(xié)議免專(zhuān)利費(fèi)，可以降低軟件的使用費(fèi)用。低成本也是ZigBee 一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。

（3 ）網(wǎng)絡(luò)容量大

一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，組網(wǎng)十分靈活。

（4 ）安全可靠

在MAC 層采用安全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)消息，提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包安全檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，系統(tǒng)安全可靠。

（5 ）時(shí)延小

ZigBee 通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的設(shè)備搜索時(shí)延為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。

（6 ）低速率

ZigBee不同的工作頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率都比較低。

868MHz 頻段數(shù)據(jù)傳輸速率為20kbps，915MHz 頻段數(shù)據(jù)傳輸速率為40kbps2.4GHz 頻段數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps。

1.2 GPRS技術(shù)簡(jiǎn)介

GPRS 是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（General Packet RadioService）的英文簡(jiǎn)稱，是一種分組交換系統(tǒng)。GPRS 邏輯結(jié)構(gòu)如圖1 所示。GPRS 的基本功能就是在移動(dòng)終端和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的路由器之間傳遞分組業(yè)務(wù)。GPRS 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基于GSM 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，話音部分仍采用原來(lái)GSM 的基本處理單元，而對(duì)于數(shù)據(jù)部分則新增加了一些數(shù)據(jù)處理單元和接口。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)承載，GPRS 系統(tǒng)引入了幾種新的網(wǎng)絡(luò)單元，如分組處理單元PCU、GPRS服務(wù)支持單元SGSN、GPRS網(wǎng)關(guān)支持單元GGSN，以及其它輔助進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)管理和應(yīng)用的單元如DNS 和DHCP 服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議服務(wù)器NTP，計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)CG等。

圖1 GPRS邏輯結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是高精度、低成本、低功耗、體積小、安全可靠及操作簡(jiǎn)單。

本系統(tǒng)使用超低功耗LPC1114 M0 ARM7 作為核心控制器件，使用DS18B20 傳感器采集溫度信息，將溫度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，經(jīng)過(guò)ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)路送至核心控制器件LPC1114 M0，核心控制器件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)處理結(jié)果對(duì)執(zhí)行單元進(jìn)行控制，如果水溫超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值，啟動(dòng)降溫模塊；低于標(biāo)準(zhǔn)值，啟動(dòng)加熱模塊；如果溫度長(zhǎng)時(shí)間處于標(biāo)準(zhǔn)值之下或標(biāo)準(zhǔn)值之下，超過(guò)時(shí)間閾值（可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置），啟動(dòng)報(bào)警模塊，并通過(guò)GPRS，將報(bào)警信息發(fā)送至用戶終端，以便做出及時(shí)處理。系統(tǒng)采用12864 作為顯示模塊，對(duì)溫度信息、報(bào)警信息及執(zhí)行信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 核心控制器件

LPC1114是基于ARM Coter-M0的控制器，具有高達(dá)32KB的Flash程序存儲(chǔ)器和8KB靜態(tài)RAM存儲(chǔ)器，一個(gè)FAST-modePlus 的C 接口，CPU 的工作頻率最高可達(dá)50MHz，晶體振蕩器的工作范圍為1MHz-25MHz，具有處理速度快、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，可用于高集成度、低功耗的嵌入式系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于電子行業(yè)、通信產(chǎn)品、家庭自動(dòng)化產(chǎn)品、便攜式監(jiān)視器等方面。

3.2 數(shù)字溫度傳感器：DS18B20

DS18B20 具有體積小、功耗低、抗干擾性強(qiáng)和適應(yīng)性好的特點(diǎn)，分辨率最高可達(dá)12位，可檢測(cè)溫度范圍為–55°C～+125°C，精度可達(dá)土0.5°C，最大工作周期為750 毫秒，可以提供9 位溫度讀數(shù)指示。采用單總線數(shù)據(jù)通信方式，從核心控制器件LPC1114 到DS18B20 僅需一條連線就可以實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)操作。

3.3 無(wú)線模塊CC2430

CC2430 延用了CC24320 的架構(gòu)，是一款真正符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的片上Zigbee產(chǎn)品。在單個(gè)CC2430芯片上整合了ZigBee 射頻前端﹑內(nèi)存和微控制器。它使用8KB的MCU，具有128KB 可編程內(nèi)存和8KB 的RAM，還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）﹑定時(shí)器﹑AES128 協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器，晶振休眠定時(shí)器，上電復(fù)位，掉電檢測(cè)電路和21 個(gè)I/O 口。

3.4 液晶顯示12864

液晶顯示12864 用ST7920 作為控制器和驅(qū)動(dòng)器，可以提供33 路com 輸出和64 路seg 輸出。ST7920 驅(qū)動(dòng)器可以與ST7921 配合使用，最多可輸出256 ×32 液晶點(diǎn)陣。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用TKStudio 開(kāi)發(fā)軟件，編寫(xiě)底層驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用層函數(shù)。系統(tǒng)中信號(hào)的采集、變換、處理、控制信號(hào)發(fā)送與接收都是用C 語(yǔ)言進(jìn)行編程。

圖3、圖4 和圖4 分別為L(zhǎng)PC1114 主程序流程圖、溫度傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖和ZigBee 網(wǎng)關(guān)程序流程圖。

圖3 LPC1114主程序流程圖

圖4 溫度傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖

圖5 ZigBee網(wǎng)關(guān)程序流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用采用ZigBee 和GPRS 無(wú)線通信方式相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)。DS18B20 芯片可以很好地采集溫度信息；ZigBee 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)主控模塊與溫度信息采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，外圍擴(kuò)展功能模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示，便于調(diào)試和維護(hù)；報(bào)警信息可以通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳送到用戶終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信息實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，無(wú)需專(zhuān)門(mén)布設(shè)通信線路，可以有效降低成本。通過(guò)測(cè)試表明：系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)的要求。測(cè)試精度可達(dá)土0 . 5 °C ，可以廣泛應(yīng)用于民用及工業(yè)控制等領(lǐng)域。