基于ZigBee的可自充電式無線溫度傳感監(jiān)測系統(tǒng)

王二偉+丑修建+劉立+張鵬

摘 要： 考慮到傳統(tǒng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)能耗高、成本高、體積大、線路復(fù)雜等問題，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在正常情況下由鋰電池直接供電，在振動(dòng)環(huán)境中通過壓電微能源收集環(huán)境振動(dòng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能給鋰電池充電。利用低功耗芯片CC2530和外圍器件搭建硬件電路，使用IAR Embedded Workbench軟件并借助TI公司的Z?Stack編譯軟件，通過LabVIEW軟件進(jìn)行上位機(jī)的設(shè)計(jì)，借助小體積倒F天線（IFA）進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)收發(fā)。經(jīng)測試，該系統(tǒng)在空曠區(qū)域傳輸距離80 m，能實(shí)時(shí)通過上位機(jī)讀取需要監(jiān)測區(qū)域的溫度，具有一定的可靠性。

關(guān)鍵詞：自充電模式； 溫度監(jiān)測； ZigBee； 倒F天線； 壓電微能源

中圖分類號： TN98?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）04?0099?04

ZigBee?based wireless temperature sensing and monitoring system

with self?charging ability

WANG Erwei， CHOU Xiujian， LIU Li， ZHANG Peng

（MOE Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： Since the traditional temperature monitoring system has the problems of high energy consumption， high cost， large volume and complex routing， a wireless temperature monitoring system based on ZigBee was designed. The system′s power is supplied by its lithium battery directly in normal circumstances. In the vibration environment， the environmental vibration mechanical energy collected by the piezoelectric micro energy is converted into the electrical energy to charge the lithium battery. The low?power consumption chip CC2530 and peripheral devices are used to build the hardware circuit. The Z?stack compiling software developed by TI company and IAR Embedded Workbench software are employed to design the upper computer with LabVIEW software. The temperature data is received and sent by virtue of the small?volume inverted?F antenna （IFA）. The test results show that the transmission distance of the system can reach up to 80 m in the open area， the system can read the temperature in the needing monitoring area through the upper computer in real time， and has a certain reliability.

Keywords： self?charging mode； temperature monitoring； ZigBee； inverted?F antenna； piezoelectric micro energy

0 引 言

在科技迅速發(fā)展的今天，無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）顯得尤為重要。它由各種傳感器節(jié)點(diǎn)組成，相互之間進(jìn)行無線通信，將感知到的結(jié)果呈現(xiàn)給觀察者。無線傳感網(wǎng)絡(luò)也被美國著名雜志《技術(shù)評論》列為對人類生活產(chǎn)生影響的十大新興技術(shù)之首[1]。作為一種新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)模式，物聯(lián)網(wǎng)成為信息領(lǐng)域一次重大的發(fā)展和變革，受到國內(nèi)外廣泛的關(guān)注[2]。它通過信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)[3]。ZigBee技術(shù)是開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)可以用到的一個(gè)組網(wǎng)技術(shù)，具有省電、可靠、廉價(jià)、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全的優(yōu)點(diǎn)[4]。借助TI公司開發(fā)的Z?Stack協(xié)議棧，就可以較為方便地進(jìn)行編程?；谶@種技術(shù)，考慮到環(huán)境中存在著浪費(fèi)的振動(dòng)機(jī)械能，開發(fā)一套簡單的低成本、小體積且具有自充電能力的無線溫度監(jiān)測系統(tǒng)其具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，如應(yīng)用在礦井下煤機(jī)上來監(jiān)測其在工作時(shí)轉(zhuǎn)軸的溫度變化。本文主要通過芯片LT3331進(jìn)行電源管理，由鋰電池供電并可在振動(dòng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)自充電，利用測溫范圍為-55～125 ℃的可編程數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20和射頻芯片CC2530來完成溫度數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸，最終由計(jì)算機(jī)串口來讀取溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)測。

1 總體功能框架

在正常情況（環(huán)境中無振動(dòng)）下通過鋰電池給無線節(jié)點(diǎn)供電，保證溫度傳感器和射頻單元的正常工作；在振動(dòng)環(huán)境中，利用壓電微能源收集環(huán)境中的振動(dòng)能，給鋰電池充電，實(shí)現(xiàn)自充電。通過ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，最終由上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，如圖1所示。

2 電源模塊

本系統(tǒng)選用Volture系列的V21B壓電式振動(dòng)微能量采集器為節(jié)點(diǎn)供電，其體積小、可靠性好、靈敏度高、壽命長。當(dāng)環(huán)境中有振動(dòng)時(shí)，該采集器收集振動(dòng)機(jī)械能，利用壓電效應(yīng)，將其轉(zhuǎn)換為電能為節(jié)點(diǎn)供電[5?6]。它包含4個(gè)引腳，通過串聯(lián)方式輸出較大電壓，通過并聯(lián)方式輸出較大電流。采用串聯(lián)方式獲取較大電壓，通過給振動(dòng)臺測試系統(tǒng)設(shè)置1 g垂直方向加速度來測試能量采集器的電學(xué)輸出性能。從8～200 Hz進(jìn)行掃頻測試，觀察其諧振頻率。測得器件輸出電壓與振動(dòng)頻率的關(guān)系如圖2所示。通過測試：在8～200 Hz振動(dòng)頻率范圍內(nèi)，器件開路輸出電壓范圍為0.124～13.204 V，并在諧振頻率41 Hz下輸出達(dá)到最大。

能源管理部分采用LTC3331芯片，根據(jù)外部環(huán)境振動(dòng)狀況和電池電量狀況，LTC3331內(nèi)部輸入優(yōu)先級排序器控制選擇降壓轉(zhuǎn)換器或降壓?升壓轉(zhuǎn)換器，完成環(huán)境采集能量輸入模式和電池輸入模式的切換。當(dāng)處于振動(dòng)環(huán)境時(shí)，壓電式環(huán)境振動(dòng)能量收集器采集振動(dòng)能量，電容上開始積累電荷，當(dāng)Vin電壓高于UVLO上升閾值時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器激活，LTC3331采用環(huán)境能量輸入模式為Vout供電，同時(shí)內(nèi)部并聯(lián)電池充電器為鋰電池充電；當(dāng)Vin逐漸耗盡至UVLO下降閾值以下或無振動(dòng)時(shí)，能量輸入模式切換為電池模式供電?；贚TC3331的能源管理電路如圖3所示。

3 射頻模塊

作為發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要無線電設(shè)備，天線自然也是無線通信系統(tǒng)中的重要一環(huán)，它的性能將直接影響到通信系統(tǒng)的品質(zhì)。對于所設(shè)計(jì)的無線溫度傳感監(jiān)測系統(tǒng)來說最重要的就是射頻模塊，它的好壞直接影響到溫度數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，尤其是天線部分。本模塊采用CC2530與IFA天線相結(jié)合。

3.1 原理圖

如圖4所示，本原理圖主要涉及射頻模塊CC2530芯片及其外圍元器件分布以及巴倫電路。本系統(tǒng)采用的是CC2530F256，即具有256 KB的FLASH存儲器。此外，CC2530十分適合需要超低功耗的系統(tǒng)。在原理圖中，外圍元器件在滿足芯片功能的情況下還有濾波及去耦的功能，巴倫電路能使射頻芯片和天線更好地實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。該電路包含兩個(gè)晶振，分別為四引腳32 MB和兩引腳32.768 kHz，CC2530選用兩個(gè)晶振確保電路正常工作，X1是主晶振；X2是可選晶振，用于低睡眠電流消耗和精確喚醒時(shí)間的應(yīng)用。P0口、P1口和復(fù)位等均全部引出。

3.2 天線部分

考慮到小體積，天線部分沒有采用一般的外置天線，而是印刷在PCB電路板上的倒F（Inverted?F Antenna，IFA）天線。不僅具有交叉極化特性，而且具有等向輻射性[7]。本系統(tǒng)使用的倒F天線的原型是單極子天線，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于匹配和制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，這是本系統(tǒng)選擇它的主要原因。

所用倒F天線用HFSS軟件進(jìn)行建模并進(jìn)行仿真，模型如圖5所示?；暹x用的是PCB中最常用的玻璃纖維環(huán)氧樹脂（FR4），其相對介電常數(shù)=4.4，損耗正切=0.05。天線位于模型中介質(zhì)層的上表面，用一個(gè)矩形理想導(dǎo)體平面來代替過孔與地相連[8]。各部分具體參數(shù)如圖6所示，H=4 mm，S=5 mm，L=16 mm。

仿真結(jié)果如圖7所示，S11參數(shù)如圖7（a）所示，可以看出天線的諧振頻率非常接近2.45 GHz，滿足ZigBee可使用的2.4 GHz的ISM頻段，10 dB帶寬約為400 MHz。在諧振頻率點(diǎn)時(shí)，S11=-34.81 dB。在射頻微波頻段，使用的饋線通常是50 Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗。所以天線的輸入阻抗盡可能在50 Ω，保證在工作頻帶內(nèi)能有盡可能小的駐波比。通過查看天線輸入阻抗結(jié)果報(bào)告，如圖7（b）所示，可以看出天線的輸入阻抗為（51.279 1-1.097 2j） Ω，與50 Ω已非常接近。在無線電通信中，天線與饋線的阻抗不匹配或天線與發(fā)射機(jī)的阻抗不匹配，高頻能量就會(huì)發(fā)生反射折回，并與前進(jìn)的部分干擾匯合發(fā)生駐波。通過仿真，電壓駐波比為1.033 8。圖7（c）為天線平面增益方向圖，仿真結(jié)果最大增益為2.893 4 dB。

3.3 電路板

最終設(shè)計(jì)射頻模塊電路板為30 mm×37 mm，厚度為1.2 mm，相比外置天線體積上小了很多。在設(shè)計(jì)電路板的過程中，過孔的增多和巴倫電路部分元器件的擺放非常重要，會(huì)直接影響到天線的傳輸質(zhì)量[9]。本設(shè)計(jì)鋪銅厚度為35 μm，布線寬度為10 mil，模塊PCB圖如圖8所示，實(shí)物電路板如圖9所示。

4 程 序

程序借助TI公司的Z?stack協(xié)議棧，大大簡化并節(jié)省時(shí)間，系統(tǒng)所用的編譯軟件為IAR Embedded Workbench，它是瑞典 IAR Systems 公司為微處理器開發(fā)的一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境，支持ARM，AVR，MSP430等芯片內(nèi)核平臺。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了ZigBee協(xié)議棧的物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）框架。

波特率為576 000 B/s，每隔2 s發(fā)送一個(gè)溫度數(shù)據(jù)，通過接收機(jī)實(shí)時(shí)接收溫度數(shù)據(jù)給上位機(jī)，通過上位機(jī)實(shí)時(shí)讀取溫度數(shù)據(jù)。部分程序如下：

溫度數(shù)據(jù)接收程序：

static void appDataRx（） {

BYTE i；

basicRfConfig.myAddr = LIGHT_ADDR；

if（basicRfInit（&basicRfConfig）==FAILED） {

HAL_ASSERT（FALSE）； }

basicRfReceiveOn（）；

while （1） {

while（！basicRfPacketIsReady（））；

if（basicRfReceive（pRxData， APP_PAYLOAD_LENGTH，

NULL）>0） {

if（pRxData[0] == WENDU_CMD ） {

for（i=0；i！=4；i++） {

Tx_buffer[i]=pRxData[i+1]； }

UartTX_Send_String（UartData，5）；

UartTX_Send_String（Tx_buffer，APP_PAYLOAD_

LENGTH?1）；

halLedToggle（LED_BlUE）；

Wait（1）；

halLedToggle（LED_BlUE）；

} } } }

5 溫度顯示

上位機(jī)界面計(jì)劃采用LabVIEW軟件來設(shè)計(jì)，它是目前國際上惟一的編譯型圖形化編程語言，把復(fù)雜、繁瑣、費(fèi)時(shí)的語言編程簡化成用菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能（圖形），使用線條把各種功能連接起來的簡單圖形編程方式[10]。由它設(shè)計(jì)出的界面相當(dāng)?shù)闹庇^漂亮。在底板上通過PL2303芯片實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB。該芯片是Prolific 公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS 232?USB接口轉(zhuǎn)換器，它的高兼容驅(qū)動(dòng)可在大多操作系統(tǒng)上模擬成傳統(tǒng)COM 端口，并允許基于COM 端口應(yīng)用可方便地轉(zhuǎn)換成USB接口應(yīng)用，通信波特率高達(dá)6 Mb/s。使用的溫度傳感器為DS18B20，精度為±0.5 ℃，與CC2530芯片的VCC，P0.6，GND三個(gè)引腳相連接[11?12]。將裝有DS18B20的發(fā)射機(jī)置于需要監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)的區(qū)域，它會(huì)每隔2 s發(fā)送所處位置的溫度數(shù)據(jù)，接收機(jī)在一定范圍內(nèi)就能通過電腦串口實(shí)時(shí)讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如圖10所示。

最終在開闊的場地和振動(dòng)臺測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離為80 m時(shí)，溫度數(shù)據(jù)仍然可以被較為準(zhǔn)確的監(jiān)測，表明該系統(tǒng)具有一定的可靠性。

6 結(jié) 語

本文對基于ZigBee的無線可充電溫度監(jiān)測系統(tǒng)從硬件原理圖到無線節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)再到上位機(jī)都進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹。由于測試條件有限，只是在正常情況下和振動(dòng)臺上測得節(jié)點(diǎn)最大有效距離為80 m，在振動(dòng)環(huán)境中微能源能為鋰電池進(jìn)行續(xù)航，實(shí)現(xiàn)自充電。但是，系統(tǒng)并未在實(shí)際環(huán)境如礦井下的煤機(jī)上進(jìn)行實(shí)測，距實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離，能夠?yàn)橐恍毫迎h(huán)境尤其是振動(dòng)環(huán)境的溫度監(jiān)測提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

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