采用ZigBee和GPRS无线通信方式相结合的温度控制系统设计

电子设计 2018-11-05 08:44 次阅读

引 言

传统的温度控制系统通常采用有线传输信号的方式,布线费用较高,维修不便。ZigBee 技术作为一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线通信技术,得到了广泛的应用;GPRS是在现有的GSM 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务,特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输,这一特点正适合大多数移动互联的应用。将ZigBee和GPRS引入温度控制系统中,采用两种无线通信方式相结合的方式实现信息的传输,将有助于解决温度控制系统信息化、自动化程度相对滞后的问题。

1 ZigBee技术及GPRS技术简介

1.1 ZigBee技术简介

ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线通信技术,它依据IEEE802.15.4 标准,定义了不同厂商生产的设备相互兼容的内容,它可以将若干个微小的传感器组织起来通信,这些传感器只需要很小的能量就可以通过多跳的方式传送数据。已经在许多领域被广泛使用,如温度、湿度、光照及气体浓度等小数据量信息的采集与传输。

ZigBee的主要特点:

(1 )低功耗

这是ZigBee技术的一个显着优点,由于在收发信息时功耗比较低,在MAC 层采用休眠机制,信道接入时延短,ZigBee 节点十分省电。节点的电池使用寿命可达半年到两年。

(2 )低成本

由于ZigBee协议栈相对蓝牙Wi-Fi 简单,降低了对通信控制器件的要求,可以降低器件成本,加上ZigBee 协议免专利费,可以降低软件的使用费用。低成本也是ZigBee 一个显着优点。

(3 )网络容量大

一个星型结构的ZigBee 网络最多可以容纳254 个从设备和一个主设备,组网十分灵活。

(4 )安全可靠

在MAC 层采用安全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认消息,提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包安全检查功能,支持鉴权和认证,系统安全可靠。

(5 )时延小

ZigBee 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的设备搜索时延为30ms,休眠激活时延为15ms,活动设备信道接入时延为15ms。

(6 )低速率

ZigBee不同的工作频段,数据传输速率都比较低。

868MHz 频段数据传输速率为20kbps,915MHz 频段数据传输速率为40kbps2.4GHz 频段数据传输速率为250kbps。

1.2 GPRS技术简介

GPRS 是通用分组无线业务(General Packet RadioService)的英文简称,是一种分组交换系统。GPRS 逻辑结构如图1 所示。GPRS 的基本功能就是在移动终端和标准数据通信网的路由器之间传递分组业务。GPRS 网络结构基于GSM 系统实现,话音部分仍采用原来GSM 的基本处理单元,而对于数据部分则新增加了一些数据处理单元和接口。为了实现数据承载,GPRS 系统引入了几种新的网络单元,如分组处理单元PCU、GPRS服务支持单元SGSN、GPRS网关支持单元GGSN,以及其它辅助进行数据业务管理和应用的单元如DNS 和DHCP 服务器、网络时间协议服务器NTP,计费网关CG等。

采用ZigBee和GPRS无线通信方式相结合的温度控制系统设计

图1 GPRS逻辑结构

2 系统总体方案设计

系统采用模块化的设计思路。整个系统的设计目标是高精度、低成本、低功耗、体积小、安全可靠及操作简单。

本系统使用超低功耗LPC1114 M0 ARM7 作为核心控制器件,使用DS18B20 传感器采集温度信息,将温度信息转化为数字信息,经过ZigBee 无线传感网路送至核心控制器件LPC1114 M0,核心控制器件对数据进行分析处理,根据处理结果对执行单元进行控制,如果水温超过标准值,启动降温模块;低于标准值,启动加热模块;如果温度长时间处于标准值之下或标准值之下,超过时间阈值(可以根据经验设置),启动报警模块,并通过GPRS,将报警信息发送至用户终端,以便做出及时处理。系统采用12864 作为显示模块,对温度信息、报警信息及执行信息进行实时显示。系统总体结构如图2 所示。

采用ZigBee和GPRS无线通信方式相结合的温度控制系统设计

图2 系统总体结构

3 硬件设计

3.1 核心控制器件

LPC1114是基于ARM Coter-M0的控制器,具有高达32KB的Flash程序存储器和8KB静态RAM存储器,一个FAST-modePlus 的C 接口,CPU 的工作频率最高可达50MHz,晶体振荡器的工作范围为1MHz-25MHz,具有处理速度快、价格低廉的特点,可用于高集成度、低功耗的嵌入式系统,被广泛应用于电子行业、通信产品、家庭自动化产品、便携式监视器等方面。

3.2 数字温度传感器:DS18B20

DS18B20 具有体积小、功耗低、抗干扰性强和适应性好的特点,分辨率最高可达12位,可检测温度范围为–55°C~+125°C,精度可达土0.5°C,最大工作周期为750 毫秒,可以提供9 位温度读数指示。采用单总线数据通信方式,从核心控制器件LPC1114 到DS18B20 仅需一条连线就可以实现读写操作。

3.3 无线模块CC2430

CC2430 延用了CC24320 的架构,是一款真正符合IEEE802.15.4标准的片上Zigbee产品。在单个CC2430芯片上整合了ZigBee 射频前端﹑内存和微控制器。它使用8KB的MCU,具有128KB 可编程内存和8KB 的RAM,还包括模数转换器(A/D)﹑定时器﹑AES128 协同处理器、看门狗定时器,晶振休眠定时器,上电复位,掉电检测电路和21 个I/O 口。

3.4 液晶显示12864

液晶显示12864 用ST7920 作为控制器和驱动器,可以提供33 路com 输出和64 路seg 输出。ST7920 驱动器可以与ST7921 配合使用,最多可输出256 ×32 液晶点阵。

4 软件设计

系统使用TKStudio 开发软件,编写底层驱动程序和应用层函数。系统中信号的采集、变换、处理、控制信号发送与接收都是用C 语言进行编程。

图3、图4 和图4 分别为LPC1114 主程序流程图、温度传感器节点流程图和ZigBee 网关程序流程图。

采用ZigBee和GPRS无线通信方式相结合的温度控制系统设计

图3 LPC1114主程序流程图

采用ZigBee和GPRS无线通信方式相结合的温度控制系统设计

图4 温度传感器节点流程图

采用ZigBee和GPRS无线通信方式相结合的温度控制系统设计

图5 ZigBee网关程序流程图

5 结束语

本系统采用采用ZigBee 和GPRS 无线通信方式相结合的方式设计温度控制系统。DS18B20 芯片可以很好地采集温度信息;ZigBee 无线传输网络可以实现主控模块与温度信息采集节点的数据传输,外围扩展功能模块可以实现数据显示,便于调试和维护;报警信息可以通过GPRS 网络传送到用户终端,实现对温度信息实时监控的目的,无需专门布设通信线路,可以有效降低成本。通过测试表明:系统设计达到了设计目标的要求。测试精度可达土0 . 5 °C ,可以广泛应用于民用及工业控制等领域。

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发表于 10-16 16:18 51次 阅读
如何使用GSM和ZigBee的进行一个远程无线数据采集系统的设计

如何使用ZigBee进行无线传感网络网关的设计详细资料分析

文章介绍了一种基于ZigBee协议的无线传感器网络的网关设计整体方案。以Intel PXA270为核....

发表于 10-16 11:13 68次 阅读
如何使用ZigBee进行无线传感网络网关的设计详细资料分析

ZigBee技术在智能家居中有什么作用详细应用方案说明

近年来在无线个域网WPAN技术领域,各种标准的技术在竞相发展,而这些不同技术的产品之间既有竞争又有相....

发表于 10-16 11:13 76次 阅读
ZigBee技术在智能家居中有什么作用详细应用方案说明

ZigBee在物联网中有什么作用和应用?

在物联网成为热点的今天,其应用前景令人关注。通过介绍ZigBee 技术标准及其优势,总结了ZigBe....

发表于 10-16 11:13 69次 阅读
ZigBee在物联网中有什么作用和应用?

什么是ZigBee技术?ZigBee无线传感网络模块解析及实现详细说明

 ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式,蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发....

发表于 10-16 11:13 53次 阅读
什么是ZigBee技术?ZigBee无线传感网络模块解析及实现详细说明

如何使用ZigBee技术实现无线水表及抄表系统的实现方法资料概述

开发了基于ZigBee技术实现无线水表及抄表系统, 并介绍了其软件、硬件设计方法。采用的MCU和射频....

发表于 10-16 10:11 52次 阅读
如何使用ZigBee技术实现无线水表及抄表系统的实现方法资料概述

关于ZigBee技术的安全问题以及存在的漏洞

Zigbee分配地址有两种方式,一种是通过MAC层的Assoc来分配地址,Zigbee的协调器或者路....

发表于 10-15 15:36 459次 阅读
关于ZigBee技术的安全问题以及存在的漏洞

zigbee无线组网技术中需要的设备

在Zigbee网络中,有三种不同类型的设备,分别叫做:协调器(Coordinator)、路由器(Ro....

发表于 10-15 15:03 133次 阅读
zigbee无线组网技术中需要的设备

Zigbee主要是射频还是组网呢?浅谈Zigbee的概念并说明其优势

Zigbee是一种基于802.15.4物理层协议、支持自组网、多点中继,可实现网状拓扑的复杂的组网协....

发表于 10-15 14:14 199次 阅读
Zigbee主要是射频还是组网呢?浅谈Zigbee的概念并说明其优势

简析Zigbee技术的如何实现及性能优势

Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,十分类似现有的移动通信....

发表于 10-15 11:39 153次 阅读
简析Zigbee技术的如何实现及性能优势

zigbee使用的频段与有几个不同的频率

这个指在世界范围,通用的ZigBee频段为2.4GHz,这个不是严格的2.400GHz,而是在2.4....

发表于 10-15 11:07 660次 阅读
zigbee使用的频段与有几个不同的频率

CC2533 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4 和 ZigBee 应用的真正的片上系统解决方案

CC2533是基于IEEE 802.15.4的远程控制系统的优化片上系统(SoC)解决方案。当用作灵活的SoC时,它可以以低物料成本构建单芯片遥控器。当在RemoTI RF4CE堆栈的无线网络处理器配置中使用时,它还提供了将RF4CE功能添加到设备或目标的简单路径。可以以非常低的总物料清单成本构建强大的网络节点。 CC2533将领先的RF收发器的卓越性能与单周期8051兼容CPU相结合,最高可达96 KB - 系统可编程闪存,高达6 KB RAM,以及许多其他强大功能。 CC2533具有高效的功耗模式,RAM和寄存器保持低于1μA,非常适合需要超低功耗的低占空比系统。工作模式之间的短转换时间进一步确保了低能耗。 结合德州仪器的黄金单元状态RemoTI堆栈,CC2533提供了强大而完整的ZigBee RF4CE远程控制解决方案。它也非常适合在具有SPI /UART /I 2 C接口的网络处理器配置中实现远程控制系统的目标端。 CC2533配有参考设计和实现远程控制系统的示例软件,以确保高效的设计。 CC2533有三种内存大小配置: CC2533F32 - 32 KB闪存,4 KB RAM CC2533F64 - 64 KB闪存,4 KB RAM CC2533F96 - 96 K...

发表于 08-21 18:44 85次 阅读
CC2533 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4 和 ZigBee 应用的真正的片上系统解决方案