基于ZigBee技術(shù)的無線溫度感測與控制實驗系統(tǒng)設計摘要隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展，其在各領(lǐng)域的應用愈發(fā)得到重視。無線溫度測量系統(tǒng)是為克服傳統(tǒng)有線測量方式的弊端，通過無線通信的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的系統(tǒng)。本文針對該系統(tǒng)穩(wěn)定運行、網(wǎng)絡覆蓋強度高、溫度實時監(jiān)測的要求進行了研究，并基于無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，設計了無線溫度感測與控制實驗系統(tǒng)。本文無線通信部分采用以CC2530為控制核心的ZigBee技術(shù)，使用一個ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器和四個ZigBee模塊作為終端構(gòu)建無線網(wǎng)絡；無線測量終端搭載DS18B20溫度傳感器，實現(xiàn)溫度測量并上傳測量數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)器收到終端無線傳來的溫度數(shù)據(jù)，通過USB轉(zhuǎn)串口的方式將數(shù)據(jù)上傳至PC端，PC端顯示溫度數(shù)據(jù)并可以以同樣的方式向終端發(fā)送控制指令，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的測量與控制功能。軟件方面，本文結(jié)合TI公司的Z-Stack協(xié)議棧和系統(tǒng)操作抽象層（OSAL）多任務資源分配機制對ZigBee網(wǎng)絡應用進行了設計開發(fā)；PC端則使用Python進行上位機軟件程序設計。為確保系統(tǒng)的網(wǎng)絡穩(wěn)定性，本文還研究了通信模塊的發(fā)射功率與通信距離的關(guān)系，并確定整個系統(tǒng)的通信范圍。本文完成了無線溫度感測與控制實驗系統(tǒng)的構(gòu)建與設計工作，經(jīng)實驗測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，達到設計要求。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；溫度；測量；控制；Python目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 [21]、建筑樹木反射或阻擋信號、金屬材質(zhì)吸收屏蔽信號等因素對ZigBee無線網(wǎng)絡具有影響，在組建無線網(wǎng)絡時應注意避開干擾。6.本文設計系統(tǒng)主要用于實驗應用，在實驗室的環(huán)境下，如果考慮人員流動，節(jié)點間障礙物阻擋，無線信號干擾的因素，對系統(tǒng)的運行會產(chǎn)生影響。對此，本文提出以下解決方案：1.在終端和協(xié)調(diào)器間增加路由器，這樣可繞過障礙物，縮短節(jié)點間通信距離，從而增加無線網(wǎng)絡信號強度，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，但成本大大增加。2.在終端節(jié)點安裝功放模塊，大幅度提高終端的發(fā)射功率，從而實現(xiàn)無線網(wǎng)絡穩(wěn)定運行。本文結(jié)合實驗室空間不大的實際情況，并考慮到系統(tǒng)成本，更傾向于第二種方案。系統(tǒng)整體運行軟件界面如圖5-2所示。圖5-2整體運行軟件界面結(jié)論與展望本文首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展現(xiàn)狀及特點，說明了研究的意義和目的，然后列出了ZigBee技術(shù)的特點，詳細分析其協(xié)議棧的架構(gòu)和各層規(guī)范標準。在此基礎上設計了無線溫度感測與控制實驗系統(tǒng)的軟硬件平臺，并詳細介紹了終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件程序和各節(jié)點的硬件設計，本文完成的工作如下：1.閱讀了ZigBee技術(shù)相關(guān)的文獻資料，對ZigBee協(xié)議棧進行學習研究，掌握協(xié)議棧各層的功能，組建了系統(tǒng)所需的星型網(wǎng)絡。2.在硬件設計中，從功能性和成本考慮，選擇了以TI公司CC2530為核心芯片的ZigBee模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、遠程控制和無線通信的功能。傳感器選擇DS18B20數(shù)字溫度傳感器實現(xiàn)現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)采集。給出了ZigBee模塊的電路圖和傳感器連接電路。3.在軟件設計中，根據(jù)終端和協(xié)調(diào)器不同的功能特點，分別給出節(jié)點應用程序的結(jié)構(gòu)流程圖。對TI公司提供的Z_Stack協(xié)議棧進行移植，并在此基礎上，編寫了應用層程序、傳感器溫度采集程序和LED控制程序，在應用層上實現(xiàn)了溫度采集、功能控制和無線傳輸。上位機程序使用Python進行程序設計，實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)和節(jié)點間信號強度顯示，并有溫度超限提示和下位機控制指令按鍵。文中給出了相關(guān)部分的程序代碼。4.在已實現(xiàn)的系統(tǒng)軟硬件基礎上，在室外環(huán)境進行了所選ZigBee模塊的最大通信距離測試，在室內(nèi)進行發(fā)射功率與信號強度實驗，在實驗室內(nèi)進行系統(tǒng)整體測試。5.由于時間、條件及本人水平有限，本文在設計過程中存在諸多不足之處，一些問題還需要進一步的研究改善。6.本文最初設想中，系統(tǒng)利用實驗室提供的INELVISIII教學實驗平臺搭載ZigBee進行嵌入式和無線開發(fā)，上位機使用Python+Web的形式。由于程序設計復雜、工程量大、時間有限的原因，沒能最終實現(xiàn)。7.本文設計的網(wǎng)絡系統(tǒng)節(jié)點數(shù)量和傳感器類型有限，僅實現(xiàn)了對溫度的監(jiān)測和LED功能控制，系統(tǒng)功能比較簡單，還有很大開發(fā)潛力。8.本文實驗測試的環(huán)境不穩(wěn)定，除了阻擋物對信號傳輸有影響，周圍眾多2.4GHz頻段的信號也對ZigBee無線傳輸產(chǎn)生干擾，導致實驗中出現(xiàn)系統(tǒng)信號接近傳輸距離臨界點時不穩(wěn)定的情況。雖然在實驗室內(nèi)系統(tǒng)整體測試穩(wěn)定，但如果將系統(tǒng)應用于環(huán)境惡劣的工業(yè)環(huán)境，還需要進一步調(diào)試改善。9.本文雖然設計的是實驗型溫控系統(tǒng)，但作為基礎可以開發(fā)出適合工業(yè)控制、傳感網(wǎng)絡、家庭自動化等領(lǐng)域的實時環(huán)境數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。

參考文獻李征.基于ZigBee和嵌入式Web服務技術(shù)的玻璃鋼化爐遠程監(jiān)測系統(tǒng)[D].浙江：浙江理工大學碩士論文，2013趙政華.基于ZigBee技術(shù)的無線溫、濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].北方工業(yè)大學,2010.趙朋輝.基于ZigBee的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學,2019.張起貴，梁風梅.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015:119-120.羅天任.基于ZigBee與Web技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸與處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].電子科技大學,2018.閆黎明.基于ZigBee技術(shù)的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].濟南大學,2011.Man-hongFanandSheng-qianMa.MonitoringSystemofShaftBasedonZigBeeWirelessSensorNetwork[J].MATECWebofConferences,2018,208QST青軟實訓.ZigBee技術(shù)開發(fā)：CC2530單片機原理及應用[M].北京：清華大學版社，2015:34-40.覃鮮艷.基于DS18B20的無線測溫系統(tǒng)的研究與設計[D].武漢理工大學,2012.張會新,龔進,樊姣榮,韓惠蓮.分布式數(shù)字無線測溫系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2011,38(12):1493-1495.詹秋磊.主動式礦用生命探測儀的研究與設計[D].重慶大學,2014.李麗麗.基于ZigBee的短距離無線通訊技術(shù)研究[D].山西:中北大學,2010.DOI:10.7666/d.D315227.范聰.基于ZigBee的智能照明的研究與實現(xiàn)[D].電子科技大學,2015.王彤.基于Z-Stack協(xié)議棧的ZigBee網(wǎng)絡組網(wǎng)研究與實現(xiàn)[D].河北大學,2012.嵩天，禮欣，黃天羽.Python語言程序設計基礎[M].北京：高等教育出版社，2017:10-11.邱霞,段渭軍,黃亮,許宗成.基于PyQt無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)控軟件開發(fā)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,37(16):65-67+70.高蓓.基于Python的圖表自動生成系統(tǒng)[D].山西大學,2017.石新梅.車載人機界面集成開發(fā)環(huán)境的設計與實現(xiàn)[D].中南大學,2014.溫濤.Zigbee自組織網(wǎng)絡功率控制技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].北京郵電大學,2015.EnXiuChenandYongJunZhang.WirelessTemperatureMonitoringSystemBasedonZIGBEE[J].AdvancedMaterialsResearch,2014,3383:510-513.SangsoonLim,SanghyunSeo,2.TowardsInterference-AwareZigBeeTransmissionsinHeterogeneousWirelessNetworks[J].1Departmen