基于ZigBee无线技术的电器温度监控系统研究

摘要：利用ZigBee技术和RS-232接口设计了一套基于MRF24J40MA的ZigBee无线网络温度监控管理系统。该系统的特点是节点低功耗，一些分散在较远距离的物理量可以通过通信在电脑上集中显示，实现了对电器设备温升参数在较远距离内的实时监控。该技术在一些电气设备的远程、集中监控管理有较好的应用价值。
关键词：ZigBee：无线传感器网络；MRF24J40MA

0 引言
    温度是电器设备的一个重要参数，温度可以间接地反映出电器设备的运行状态，许多故障的发生都会伴随着温度的不正常，所以温度的测量在电器的检测中是非常必要的。
    传统温度测量都是通过有线的方式组成网络传送数据。但是这种传输方式存在一定的局限性，比如远距离传输时的不可靠、线路干扰、电压绝缘、以及需要布线等问题。对于以上缺点就要寻求无线传输来解决。在我国，无线传输方式频段在2．4GHz是工业、科学、医疗(ISM)频段，无需申请许可。在这个频段上，按技术规范、协议划分，有几个无线通信方式。本文采用的无线通信方式是一种新兴的近距离、低速率无线网络技术ZigBee。
    ZigBee无线传感器网络是基于IEEE 802．15．4技术标准和ZigBee网络协议而设计的无线数据传输网络。这种网络是近距离、低速率无线传感器网络，具有射频传输成本低、各节点只需要很少的能量、功耗低、适于电池长期供电、快速组网自动配置、自动恢复和高级电源管理等优点。与其他无线协议相比，ZigBee无线协议提供了低复杂性、较小的资源要求，最重要的是它提供了一组标准的规范。它还提供了三个工作频带，以及一些网络配置和可选的安全功能。

1 系统设计方案
    本设计采用Microchip公司生产的18F4620作为MCU，MRF24J40MA模块作为ZigBee无线模块。微芯公司的协议栈源代码开放，为开发人员提供很大的方便。还有配套的ZENATM可生成对应方案的配置文件，为编程者提供参考。
    无线测温系统的目的就是将分布在不同位置的温度值通过ZigBee通信协议发送到PC机，为PC机处理信息提供数据。
    终端传感设备由带有温度传感器的ZigBee模块组成。其功能是周期性地检测目标温度，随后将检测到的温度值通过ZigBee通信协议发送到路由器或者协调器。路由器在接收来自终端传感设备的数据后会向协调器发送。协调器在得到数据后将各个节点的温度数据通过RS-232接口发送给PC端显示，PC机与协调器之间还可以进行交互操作。图1为无线测温度系统总体结构图。

2 硬件设计
    本系统所用的ZigBee无线模块采用MRF24J40MA，MRF24J40MA与单片机之间的接口框图如图2所示，该模块采用了四线制SPI接口，CS脚接单片机的RC0，INT接单片机的RB0，WAKE接单片机的RC1，RESET接单片机的RC2。

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    该系统协调器与PC机相连采用RS232接口，RXD、TXD分别接单片机的RX、TX引脚。协调器通过该接口将来自各个节点的温度数据发送给上位机，上位机通过VB的调试界面可以读出协调器上传的数据，以达到监控的目的。该RS232接口电路如图3。

    终端传感器设备主要由一个温敏电阻、一个ZigBee模块和一个最小单片机系统组成。终端设备可以按实际需要分布在不同的地方，将采集到的温度值发送到协调器，终端传感设备的原理图如图4所示。

3 软件设计
3．1 协调器程序设计
    协调器在完成网络的生成以及加入管理以后，就接收来自各个节点的温度数据，并将数据通过串口显示到PC机上，程序流程图如图5所示。

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3．2 传感器节点程序设计
    传感器节点在上电以后，进行硬件初始化。在加入已有网络后，定时向协调器或者路由设备发送温度值。传感器节点程序流程图如图6所示。

4 实验结果
    本系统中RS-232接口的波特率采用19200Bps，无校验位，8个数据位，1个停止位。在连好所有硬件以后，打开VB调试程序，设置好后，对协调器上电。稍后，在窗口里面提示组网成功。然后对终端传感设备上电，窗口里会提示新的节点加入以及该节点的温度值。实验界面如图7所示。

5 结语
    本文介绍了基于ZigBee的温度测量及监控的软硬件设计，对于电器以及环境中其他一些参数，同样可以通过传感器转化成电信号，并通过该无线网络平台进行传输。ZigBee方案简便易行、成本低廉，可以很好地解决有线通信方式布线难度大、成本高、不易维护和升级等问题，具有较高的组网灵活性和传输可靠性，在建筑自动化网络、住宅安防系统、工业控制网络、远程抄表以及PC外设等领域有着广阔的发展前景。