分布式无线温度报警系统硬件设计

在粮库温控系统、冷库温控系统、智能化建筑控制系统、中央空调系统等众多应用系统中都需要多点分布式温度测量系统。传统的多点分布式温度报警系统大多采用有线传输方式，布线繁琐、耗材多、造价高、功耗大、扩展性能差、更新升级代价大、影响美观。而且由于采用硬线连接，线路容易老化或遭到腐蚀、磨损等，故障发生率和误报率高。
    本文将ZigBee技术与温度测量技术结合起来，构成单总线、低功耗、抗干扰能力强、组网灵活的分布式无线温度报警系统，避免了有线系统带来的诸多不便，提高了温度采集监控的性能。

1 分布式无线温度报警系统总体设计
    分布式无线温度报警系统主要由3个部分组成： 温度采集终端、协调器和监控终端。分布式无线温度报警系统的整体架构如图1所示。

    其中温度采集终端功能为完成温度信息的自动采集和无线传输。协调器功能为负责整个传输系统的初始化，提供安全管理服务，通过串口接口与监控终端的单片机进行数据通信。监控终端的功能为对协调器设备上传的数据进行分析并作出相应的处理。

2 温度采集终端硬件设计
    温度采集终端由CC2430、DS18B20、RT9002、LED、电源电路等组成。智能型温度传感器DS18B20的输出为数字信号，直接连接到CC2430的I2C口。采集终端采用电池供电方式，5V锂电池经XC6221A302MR降压至3．3V供终端节点使用。采集终端硬件部分原理图如图2所示。

2．1 CC2430芯片介绍
    CC2430是Chipeon公司推出的用来实现嵌入式ZigBee应用的片上系统。它支持2．4 GHz IEEE 802．15．4／ZigBee协议。该芯片延用以往CC2420芯片的结构，在单个芯片上集成ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051)，具有32／64／128kB可编程闪存
和8kB的RAM，还包含模／数转换器(ADC)、几个定时器、AES-128安全协议处理器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路和掉电检测电路。CC2430的低功耗无线通信能力、高性能的处理和传输能力以及网络容量大等独特的设计使其成为分布式无线温度监测报警系统硬件实现的最佳选择之一。
2．2 DS18B20芯片介绍
    DS18B20是美国Dallas公司生产的“一线总线”接口的数字化传感器。其具体功能特点为：3．0～5．5V单电源供电；微型化、低功耗、抗干扰能力强、易与微处理器接口；温度测量范围为-55～+125℃，测温分辨率可达0．5℃；3引脚TO-92小体积封装(GND脚接地，DQ脚作为信号线，VCC脚接电源)；可编程为9～12位A／D转换精度；只需一根端口线就能与MCU通讯；每只DS18B20有惟一的序列号并可存入其ROM中，便于实现多芯片多点测量；在使用中不需要任何外围元件；用户可自设定非易失性的报警上下限值。本系统采用DS18B20可以简化系统结构，提高系统可靠性，能较好地对环境复杂的场所进行长时间温度采集。

3 协调器硬件设计
    协调器是分布式无线温度报警系统的核心，负责温度采集终端的自动组网，接收采集终端的温度信息并将其上传给监控终端。协调器由CC2430、RT9002、LED、电源电路、串口电路等组成。CC2430通过RS-232和监控终端进行通信，MAX232实现TTL电平和RS-232电平的转换，然后通过9针串口和监控终端进行通信，其中MAX232的TXD／RXD端分别接CC2430的P0．3／P0．2端口。状态指示灯接CC2430的P2．0口，当模块初始化完成后，状态指示灯亮，表明协调器工作正常。协调器的电源供应为市电，不需要更换电池，而且不必担心协调器电源耗尽。市电经变压器转换为6～12V直流电，然后送RT9002芯片转换成3．3V直流电供协调器使用。天线设计要注意阻抗匹配，CC2430射频输入、输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50 Ω，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。硬件部分原理图如图3所示。

4 监控终端硬件设计
    监控终端由8031、7406、PB2130UP002A(压电式蜂鸣器)、电源电路等组成。8031通过RS-232接收协调器上传的数据，MAX232实现TTL电平和RS-232电平的转换，其中MAX232的TXD／RXD端分别接8031的P3．0／P3．1口。低电平驱动器7406实现TTL电平转换，7406的输入端接803 1的P1．0口，输出端与PB2130UP002A连接。当被监测温度超过设定门限值时，8031的PL0口输出高电平“1”，7406的输出为低电平“0”，使压电蜂鸣器获得将近5V的直流电压，产生蜂鸣音。当被监测温度低于设定门限值时，P1．0口输出低电平“0”，7406的输出端升高约+5V，压电蜂鸣器的两端直流电压降至接近于0V，无蜂鸣音。监控终端的电源供电应为市电，市电经变压器转换为6～12V直流电，然后送78L05稳压集成电路转换成5V直流电供蜂鸣器使用。硬件部分原理图如图4所示。

5 系统测试及结论
    根据上述系统设计方案，构造了含四个温度采集终端的分布式无线温度报警系统。系统测试是将四个zigBee节点分布到一个大仓库的四个角落里，ZigBee节点与协调器节点之间的距离在50m左右。测试结果为：当被测温度在高于阈值上限或低于阈值下限时，蜂鸣器工作，说明温度此时处于不正常状态，需要做出相应的处理；当温度在阈值范围内浮动时，蜂鸣器不工作，说明此时温度处于正常状态。
    系统实验测试结果表明：本设计能实现温度信息的采集、无线传输，监控终端对接收到的温度信息做出相应的处理，达到了设计的目的，有一定的实用价值。

6 结束语
    ZigBee无线通信技术解决了分布式有线温度采集系统布线繁琐，维护、升级、扩展困难等问题。用DS18B20来测量温度，解决了传统温度采集硬件电路复杂的问题。ZigBee技术和DS18B20的结合简化了系统设计，减少了布线工作量，降低了系统成本，提高了测量精度，增强了抗干扰能力，提高了系统的稳定性，增强了实用性。