戴 明，孟召議

（1.無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫214153；2.江蘇省無線傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 無錫214153）

溫度對(duì)于人類生活環(huán)境有極大的意義，在工業(yè)行業(yè)中，幾乎80%的工業(yè)生產(chǎn)都要考慮溫度因素的影響.目前隨著“互聯(lián)網(wǎng) ＋”的快速發(fā)展，基于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的智能溫控系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多.本系統(tǒng)利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度的無線傳輸，解決了布線的麻煩.上位機(jī)采用Lab VIEW軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了溫度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程顯示和查詢，便于現(xiàn)場(chǎng)管理.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由3部分組成：溫度數(shù)據(jù)采集電路；ZigBee無線傳輸電路；顯示電路.在設(shè)計(jì)采集溫度數(shù)據(jù)電路時(shí)，將DS18B 20的數(shù)據(jù)端連接到單片機(jī)STC89C52RC的P 1.3引腳，單片機(jī)將接收到的數(shù)字溫度進(jìn)行處理，然后把實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)顯示在本地LCD 1602液晶顯示器上.另外，單片機(jī)STC89C52RC同時(shí)將溫度數(shù)據(jù)通過串口傳輸送到芯片MAX232上實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，利用RS 232串口發(fā)送給已經(jīng)配置好的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)以無線方式傳輸給ZigBee中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)連接，最終上位機(jī)采用Lab VIEW軟件自帶的VISA驅(qū)動(dòng)器采集和處理串行數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)溫度的顯示、保存和調(diào)用.本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 DS18B 20數(shù)字式溫度傳感器

2.1.1 DS18B 20溫度傳感器簡(jiǎn)介

DS18B 20是一種數(shù)字溫度傳感器，它可以直接讀出被測(cè)量物體的溫度，進(jìn)而通過簡(jiǎn)單編程讀取出對(duì)應(yīng)的數(shù)字量.DS18B 20的性能特點(diǎn)如下［1］：

1）獨(dú)特的單線接口方式：DS18B 20與單片機(jī)連接時(shí)，只需要將其數(shù)據(jù)端連接到單片機(jī)的輸入端即可.

2）在使用中不需要任何外圍元件.

3）可用數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍：＋3.0V—＋5.5V.

4）測(cè)溫范圍：-55—＋125℃，固有測(cè)溫分辨率為0.5℃.

DS18B 20與單片機(jī)的引腳連接，如圖2所示：

圖2 DS18B20與單片機(jī)的引腳連接

2.1.2 DS18B20的二進(jìn)制溫度數(shù)據(jù)

DS18B20溫度傳感器可讀出溫度數(shù)值，其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位有11位，再加上5位符號(hào)位，共組成了16位的數(shù)據(jù)形式，其溫度值格式表，如表1所示.DS18B20測(cè)溫范圍為：-55—＋125℃.當(dāng)溫度在0—＋125℃之間時(shí)，溫度值格式表中的高5位均等于0，用溫度值除以0.0625得到一個(gè)十進(jìn)制數(shù)值，將該十進(jìn)制進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換即得到溫度對(duì)應(yīng)的11位數(shù)據(jù)，加上5位符號(hào)位即得到了16位的溫度數(shù)據(jù)；當(dāng)溫度在-55—0℃之間時(shí)，溫度值格式表中的高5位均等于1，用溫度值除以0.0625得到一個(gè)十進(jìn)制數(shù)值，將該十進(jìn)制進(jìn)行二進(jìn)制轉(zhuǎn)換，再將該二進(jìn)制減1取反，即得到溫度對(duì)應(yīng)的11位數(shù)據(jù)，加上5位符號(hào)位即得到了16位的溫度數(shù)據(jù).部分溫度與二進(jìn)制數(shù)字輸出的轉(zhuǎn)換關(guān)系，如表2所示.

表1 DS18B20溫度值格式表

1）＋125℃的數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換過程：

2）-55℃的數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換過程：

表2 溫度與二進(jìn)制數(shù)字輸出的轉(zhuǎn)換關(guān)系

2.2 單片機(jī)STC89C52RC

2.2.1 單片機(jī)STC89C52RC簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)中使用的STC89C52RC是一款小型單片機(jī)，如圖3所示.其最主要的特點(diǎn)是高速，超低功耗，有很強(qiáng)的抗干擾能力.它的指令集和輸出引腳都與MCS-51兼容［2］，共有40個(gè)引腳，8k字節(jié)的Flash，512字節(jié)的RAM，32位I／O接口.本系統(tǒng)通過單片機(jī)的P 1.3引腳采集溫度數(shù)據(jù)，采集的溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)信息通過液晶LCD1602進(jìn)行顯示，由單片機(jī)的引腳P 2.4-2.6及P 0.0-P 0.7連接至LCD 1602，串口數(shù)據(jù)通過引腳P 3.1進(jìn)行發(fā)送.

圖3 單片機(jī)STC89C52RC測(cè)溫原理圖

2.2.2 串口通信

1）串行通信協(xié)議

串行通信協(xié)議是指通信的雙方為了保證通信成功而制定的一系列約定，其主要內(nèi)容包含數(shù)據(jù)格式定義和數(shù)據(jù)位定義等.51系列單片機(jī)串行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收采用異步通信方式，其數(shù)據(jù)是一幀一幀進(jìn)行傳送的，每一幀的數(shù)據(jù)格式如圖4所示.

圖4 串行異步通信的數(shù)據(jù)格式

從圖4可以看出，完整的一幀數(shù)據(jù)由4部分組成，包括起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位［3］.

2）串行口工作模式及波特率設(shè)置

波特率是串行通信中的一個(gè)重要指標(biāo)，它反映了對(duì)傳輸通道的要求，本系統(tǒng)波特率設(shè)置為9600 b／s.

波特率的取值方法如下：

將串行口控制寄存器SCON中的SM0SM1設(shè)為01，此時(shí)串行通信以方式1進(jìn)行工作，串行通信的波特率求解公式如下：

“定時(shí)器／計(jì)數(shù)器1的溢出率”是指單位時(shí)間（秒）內(nèi)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器1回0溢出的次數(shù)，求解公式如下：

單片機(jī)串口常用波特率的參數(shù)設(shè)置，如表3所示.當(dāng)波特率為9600 b／s時(shí)，串行口工作方式采用方式1，晶振只能選取11.0592MHz，其中TMOD＝0X20，初值TH1＝0XFD＝253.

表3 串行口常用波特率

根據(jù)要求，單片機(jī)串口初始化程序如下：

2.3 ZigBee傳輸電路

ZigBee是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之一，是一種低功耗的局域網(wǎng)協(xié)議.ZigBee也是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量達(dá)65 535個(gè)，具有非常強(qiáng)大的組網(wǎng)優(yōu)勢(shì).ZigBee網(wǎng)絡(luò)有3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為星型、樹狀型和網(wǎng)狀型，如圖5所示.其按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能劃分，可分為有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（中心節(jié)點(diǎn)）、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)［4］.本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通過3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集本地溫度數(shù)據(jù)，利用廣播方式將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn).

圖5 ZIGBEE的3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｊ?/p>

3 Lab VIEW測(cè)控軟件

Lab VIEW軟件是由NI公司研發(fā)推出的一種程序開發(fā)環(huán)境［5］.它和C語言及BASIC語言的開發(fā)環(huán)境十分的相似，但Lab VIEW軟件是用圖形語言來編寫程序，生成的程序以框圖的形式表現(xiàn)出來，這一點(diǎn)與其他計(jì)算機(jī)語言有明顯的區(qū)別.Lab VIEW的函數(shù)庫內(nèi)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制等一系列的函數(shù)［6］，如圖6所示.本系統(tǒng)的Lab VIEW界面實(shí)現(xiàn)了溫度的實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)還利用數(shù)據(jù)庫將歷史溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，可以按時(shí)間和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查詢，如圖7所示.

圖6 Lab VIEW顯示界面

圖7 數(shù)據(jù)庫操作面板

4 實(shí)物與測(cè)試

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)3路終端節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)采集及顯示.圖8是單節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量圖，圖8左邊為單節(jié)點(diǎn)測(cè)溫的實(shí)物，圖8右邊為串口調(diào)試助手顯示其實(shí)時(shí)溫度；圖9是多節(jié)點(diǎn)溫度的無線測(cè)量圖，圖9右邊為各終端節(jié)點(diǎn)及中心節(jié)點(diǎn)實(shí)物，圖9左邊為串口調(diào)試助手顯示多節(jié)溫度值.系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，如表4所示.

表4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

圖8 單節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量

圖9 多節(jié)點(diǎn)溫度的無線測(cè)量

5 結(jié)語

本文介紹了基于ZigBee的無線測(cè)溫采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程.ZigBee技術(shù)組網(wǎng)方便、網(wǎng)絡(luò)容量大，由Zig-Bee中心節(jié)點(diǎn)接收到的各終端節(jié)點(diǎn)溫度可以通過Lab VIEW軟件進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性較好，顯示界面易讀，數(shù)據(jù)可保存，調(diào)取方便，有較好的應(yīng)用價(jià)值.