摘要：研制了一套基于ZigBee技術(shù)的安全溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)。以MCl3213射頻SoC為硬件平臺，利用ZigBee2007協(xié)議棧分別組成了Star和Mesh網(wǎng)絡(luò)，在上位機監(jiān)控軟件上實現(xiàn)了溫度監(jiān)控與空間定位的功能。測試表明：系統(tǒng)具有O．175℃和1．1045m的精度，功能完善，運行穩(wěn)定，可擴展性好。
關(guān)鍵詞：ZigB3ee；溫度監(jiān)控；空間定位

    在工業(yè)生產(chǎn)及貨物存儲等車間現(xiàn)場，由于溫度過高而引起的失火或爆炸造成了慘痛的人員傷亡和財產(chǎn)損失，因而迫切需要對其溫度進行實時的監(jiān)控。傳統(tǒng)的有線傳輸不僅因鋪線等成本高，而且通信質(zhì)量及后期的維護更新升級都不佳，因此在生產(chǎn)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境下不易采用。而基于IEEE 802．15．4協(xié)議的新興ZigBee短距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)，由于低功耗、低成本、短延時、大容量和高可靠等優(yōu)點，在監(jiān)測與控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)應(yīng)用了ZigBee的無線通信技術(shù)來實現(xiàn)對生產(chǎn)現(xiàn)場溫度的監(jiān)測，利用ZigBee的組網(wǎng)技術(shù)來獲取溫度事件的時間與地點信息，這樣可充分地保證現(xiàn)場的安全生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案
1．1 總體設(shè)計思想
    為了實現(xiàn)溫度監(jiān)測、時間記錄及空間定位3項功能，本系統(tǒng)采用圖1所示的設(shè)計。整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含3種設(shè)備：ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator，ZC)、ZigBee路由器(ZigBee Rotlter，ZR)和ZigBee終端設(shè)備(ZigBee EndDevice，ZED)。同時，應(yīng)用了兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：Star(星型)網(wǎng)絡(luò)和Mesh(網(wǎng)狀)網(wǎng)絡(luò)。

    圖1中，位于網(wǎng)絡(luò)外圍的4個ZR是作為空間定位的參考節(jié)點，主要起中繼器的作用，轉(zhuǎn)發(fā)來自ZED的RSSI／LQI數(shù)據(jù)至ZC以實現(xiàn)空間定位；分布在生產(chǎn)環(huán)境終端的6個攜帶溫度傳感器的ZED，主要實現(xiàn)周期性地檢測現(xiàn)場溫度的功能，并將溫度數(shù)據(jù)信息分別用LCD實時顯示和以無線方式傳輸出去；處在網(wǎng)絡(luò)中心的ZC是整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)控制器，直接與PC機相連，能夠利用上位機VB程序提取各ZED的溫度數(shù)據(jù)，并根據(jù)4個ZR的RSSI／LQI數(shù)據(jù)計算出ZED的空間位置信息。
    由ZC和6個ZED組成的Star網(wǎng)絡(luò)(如圖1中帶雙箭頭的實線所示)，主要將ZED采集的溫度數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絑C，從而實現(xiàn)溫度監(jiān)測的功能；而由ZC、ZR和ZED共同組成的。Mesh網(wǎng)絡(luò)(如圖1中的虛線和點畫線所示)，主要是獲取并傳輸有關(guān)ZED與ZR距離的RSSI／LQI數(shù)據(jù)，從而運用基于RSSI／LQI的定位原理來實現(xiàn)空間定位的功能。由于無線和串口通信的高速率性，溫度數(shù)據(jù)從ZED傳輸至ZC再被上位機程序所提取的整個過程時間延遲非常短，因此可將上位機提取到溫度數(shù)據(jù)的那一刻作為事件發(fā)生的時間(即ZED檢測到現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)的時刻)。
1．2 溫度監(jiān)控的設(shè)計
    溫度監(jiān)控應(yīng)用了組網(wǎng)技術(shù)中的Star網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使多個ZED節(jié)點和單個ZC進行雙向ZigBee無線通信，保證了數(shù)據(jù)信息的實時傳輸與獲取。其設(shè)計方案如圖2所示。

    系統(tǒng)分別將6個ZED放置在不同的生產(chǎn)車間里或設(shè)備上，使ZED周期性地檢測現(xiàn)場環(huán)境溫度，并通過ZigBee方式將溫度數(shù)據(jù)信息傳輸至ZC；由上位機監(jiān)控軟件提取ZC接收到的溫度信息，進行處理后實時地顯示在監(jiān)控界面上，并且通過監(jiān)控軟件自主設(shè)定安全溫度范圍等系統(tǒng)參數(shù)，并傳輸給ZC和ZED，從而達到監(jiān)控的目的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 應(yīng)用芯片簡介
    Freescale公司推出的MCl3213是一款可以搭建符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4 GHz低功耗收發(fā)器平臺的集成MCU。它通過內(nèi)部SPI連接RF和HCS08，具有低功耗、高集成度等優(yōu)點，同時擁有豐富的外部接口資源。
    LM75A是具有高速I2C總線接口的集成數(shù)字溫度傳感器，內(nèi)部Temp寄存器存放一個11位二進制數(shù)的補碼，用來在-55～+125℃的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)0．125℃的精度。
    FT232BL是一款USB接口轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)USB到串行UART接口的轉(zhuǎn)換，有多種電路設(shè)計方式，配合使用EEPROM可存儲USB VID、PID等產(chǎn)品描述信息。
    LCDl602是一款內(nèi)嵌驅(qū)動及字符的液晶顯示模塊。由于MCl3213的I／O數(shù)目的限制，其采用4線數(shù)據(jù)的連接方式，將8位數(shù)據(jù)分兩次各4位地間接傳送。
    SP3220E為TTL轉(zhuǎn)RS-232的電平轉(zhuǎn)換芯片。
2．2 硬件電路設(shè)計
    圖3為硬件電路的邏輯結(jié)構(gòu)圖。

    針對系統(tǒng)的低功耗及低成本，根據(jù)所要實現(xiàn)的功能在圖3的基礎(chǔ)上進行篩選。ZED、ZR、ZC分別采用不同的設(shè)計電路，其篩選組合的方式如表1所列。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 軟件設(shè)計思想
    為了實現(xiàn)溫度監(jiān)控與空間定位的功能，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的各類設(shè)備須相互通信、協(xié)調(diào)合作。軟件設(shè)計思想如圖4所示。ZED利用攜帶的LM75A周期性地檢測生產(chǎn)現(xiàn)場的溫度，然后在LCDl602上實時顯示溫度信息以供現(xiàn)場操作，并向ZR和ZC發(fā)送溫度數(shù)據(jù)；ZR主要是度量接收ZED數(shù)據(jù)的RSSI／LQI值，并發(fā)送給ZC以達到對ZED空間定位的目的；ZC接收來自ZED及ZR的數(shù)據(jù)，通過USB／RS-232接口與上位機VB程序及Internet，網(wǎng)絡(luò)通信，利用上位機監(jiān)控軟件或遠程網(wǎng)絡(luò)，集中在線對整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)和ZED生產(chǎn)現(xiàn)場進行安全溫度的監(jiān)控。

3．2 溫度檢測程序的設(shè)計
    LM75A內(nèi)部A／D每隔100 ms執(zhí)行一次溫度一數(shù)字的轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換得到的11位二進制數(shù)的補碼數(shù)據(jù)存放進Temp寄存器中，從而實現(xiàn)0．125 ℃的溫度精度。系統(tǒng)需要注意讀取LM75A溫度數(shù)據(jù)的頻率，并且應(yīng)將讀取Temp中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實際真實的溫度值。
    若Temp數(shù)據(jù)的MSB位D10=O，則溫度是一個正數(shù)：
    溫度=(Temp中的數(shù)據(jù))×O．125℃ (1)
    若Temp數(shù)據(jù)的MSB位D10=1，則溫度是一個負(fù)數(shù)：
    溫度=(Temp中的數(shù)據(jù)二進制補碼)×O．125℃ (2)
    為了兼顧現(xiàn)場顯示與遠程監(jiān)控，ZED依據(jù)式(1)、(2)利用C語言的移位等命令獲得實際溫度值，并在LCDl602上實時顯示(當(dāng)現(xiàn)場溫度超過設(shè)定的安全范圍時，蜂鳴器報警)，而直接讀取Temp的兩個字節(jié)發(fā)送至ZigBee網(wǎng)絡(luò)中。
3．3 空間定位的實際數(shù)學(xué)模型
    為了獲得LQI值與距離d之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，系統(tǒng)需要對不同的d測量大量接收數(shù)據(jù)的LQI值。以一片開闊的籃球場作為實驗基地，利用卷尺等工具在0～64 m范圍內(nèi)測量LQI值。在相同的d距離下連續(xù)測量不同方向的60組數(shù)據(jù)，并將10個最值濾波舍去，求平均值作為該距離d的LQI。然后，利用Matlab軟件對各距離下的LQI-d數(shù)值進行一個分段對數(shù)函數(shù)的曲線擬合，求得實際數(shù)學(xué)模型。擬合曲線如圖5所示。

    由于實測LQI值易受干擾，波動性較大不穩(wěn)定，因此對ZED空間定位時在一個周期內(nèi)連續(xù)測量24組數(shù)據(jù)，然后濾去4個最值求取平均值作為定位的LQI。為了提高系統(tǒng)的速度和穩(wěn)定性，定位應(yīng)用程序根據(jù)式(3)在上位機中采用VB語言進行編寫，從而減輕了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。
3．4 應(yīng)用程序的設(shè)計
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般需要解決數(shù)據(jù)碰撞及網(wǎng)絡(luò)地址分配等問題，這樣才能使整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定工作，數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確傳輸。特別是以ZC為終點的無線通信，很可能因在同一時間內(nèi)接收多個ZR或ZED的數(shù)據(jù)而造成數(shù)據(jù)丟幀。為了使數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確無丟失地在ZC、ZR和ZED之間相互傳輸，系統(tǒng)采用了“時間片輪轉(zhuǎn)法”使各ZigBee設(shè)備分時發(fā)送數(shù)據(jù)。整個網(wǎng)絡(luò)中共有11個ZigBee設(shè)備，其中ZC除了短暫的發(fā)送監(jiān)控命令外，大部分時間是接收4個ZR轉(zhuǎn)發(fā)的LQI值和來自6個ZED的溫度采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)定1 s為整個網(wǎng)絡(luò)的工作周期，期間ZC需接收來自ZR和ZED共10個設(shè)備的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)溫度監(jiān)控與空間定位的功能。因此，每個ZR或ZED各有100 ms的發(fā)送時間，均須在預(yù)定的100 ms內(nèi)完成數(shù)據(jù)成功發(fā)送任務(wù)。
    網(wǎng)絡(luò)地址的分配一般以通信便捷和節(jié)省字節(jié)開銷為佳。在溫度監(jiān)控的Star網(wǎng)絡(luò)中，ZC須同時能夠與6個ZED的任意一個或多個進行雙向通信；而在空間定位的Mesh網(wǎng)絡(luò)中，ZC采取主動的廣播通信方式向各ZR發(fā)送提取LQI命令，隨后4個ZR輪流在各自的100 ms內(nèi)完成發(fā)送LQI的工作。針對這種情況，系統(tǒng)采用了以1個char(8位)類型的字節(jié)來制定網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的地址：由于各ZED需可同時工作，故用Bit0～Bit5分別對應(yīng)ZEDl～ZED6；而4個ZR是輪流在各自100 ms內(nèi)工作，所以采取Bit6、Bit7兩位的組合0O、01、10及11來對應(yīng)ZRl～ZR4。
3．5 上位機VB程序的設(shè)計
    系統(tǒng)利用MCl3213的兩組SCI接口分別設(shè)計了經(jīng)SP3220E轉(zhuǎn)換的RS-232真實串口和經(jīng)FT232BL轉(zhuǎn)換的虛擬串口(此時已不是真實意義上的USB接口了)，所以兩者都需以RS-232串口通信協(xié)議與PC上位機程序進行雙向通信。具體實現(xiàn)功能如下：
    ①時間同步功能。使用Timer控件來給系統(tǒng)運行提供時間刻度，以便記錄事件發(fā)生的實時時間。在監(jiān)控軟件上，既可選擇PC機的時間，也可自主設(shè)定起始運行時間。
    ②空間定位功能。主要是基于定位公式編寫程序，使各ZED的空間坐標(biāo)能夠?qū)崟r地在上位機監(jiān)控界面上顯示。
    ③溫度監(jiān)控功能。實現(xiàn)ZED的溫度信息傳送至ZC，被上位機提取與運算并在監(jiān)控界面上顯示；同時，通過監(jiān)控軟件配置各類控制參數(shù)，并反向發(fā)送給ZED。
    ④事件發(fā)生的信息記錄功能。為了保存溫度事件發(fā)生的現(xiàn)場信息，監(jiān)控軟件利用了CommonDiatog控件將相關(guān)信息寫入一個txt文件中，并能自主選擇tXt保存的目錄。

4 實驗數(shù)據(jù)分析及總結(jié)
    為了驗證性能及參數(shù)指標(biāo)，選擇了一棟58 m×26 m×23．5 m的生產(chǎn)廠房作為實驗基地，將4個ZR分別放置在A(55，O，O)、B(0，25，O)、C(O，O，20)及D(O，0，O)從而建立空間坐標(biāo)系，而將6個ZED移動地分別放在各個車間里進行測試采集數(shù)據(jù)。
4．1 溫度監(jiān)測
    為了驗證溫度監(jiān)控的準(zhǔn)確性及有效精度，在相應(yīng)車間內(nèi)放置了一個精度為O．1℃的工業(yè)溫度計，測量到的實際溫度來作為ZED測溫的參考。測量溫度和實際溫度的比較如表2所列。
    由表2可知：溫度監(jiān)控系統(tǒng)誤差小、精度高，最大絕對誤差為+O．175℃，最大相對誤差為O．738％，符合現(xiàn)場安全溫度監(jiān)控的要求。

    表2的溫度絕對誤差都是正數(shù)，說明測量溫度均偏高。其主要原因是，LM75A是焊接在PCB板上的，芯片要正常工作就需消耗電能，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量難以散失；同時，板上元器件布局不合理，使得其他器件產(chǎn)生的熱量也傳向LM75A，所以實測溫度比現(xiàn)場室溫偏高。
4．2 空間定位
    在監(jiān)控軟件上獲得的各ZED坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)的同時，利用皮尺等工具測量對應(yīng)的坐標(biāo)長度作為空問定位的對比?？臻g定位與實際位置的關(guān)系如圖6所示。

    可見，空間定位的誤差較小，最大的定位誤差為ZED3的1．1045m，在工程的允許范圍內(nèi)，達到了系統(tǒng)對溫度事件的定位目標(biāo)。利用LQI進行空間定位，從本質(zhì)上講是基于能量法的。圖5的LQI-d曲線數(shù)據(jù)是在戶外理想狀態(tài)下測得的，而生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，無線通信常受到障礙物影響，因此難免有所誤差。另外，由于RF收發(fā)天線不是嚴(yán)格意義上的全向，因此在相同距離而位于不同方向時所接收的LQI值也有所差別。

結(jié)語
    本文設(shè)計了基于ZigBee的生產(chǎn)現(xiàn)場安全溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)，提出了三要素(溫度監(jiān)測、時間記錄及空間定位)全方位設(shè)計理念，介紹了系統(tǒng)的硬件、軟件及上位機監(jiān)控程序的設(shè)計方法。測試表明，該監(jiān)控系統(tǒng)具有精度高、功能完善、運行穩(wěn)定及性價比高等優(yōu)點，有一定的實用價值。若將本系統(tǒng)的RS-232／USB進一步擴展到GPRS或Internet，并與生產(chǎn)現(xiàn)場總控制室相連，則系統(tǒng)的功能和使用范圍都將得到很大的拓寬。