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目前，很多場合的測溫系統采用的還是有線測溫設備，由溫度傳感器、分線器、測溫機和監控機等組成，各部件之間采用電纜連接進行數據傳輸。這種系統布線復雜、維護困難、成本高，可采用無線方案解決這些問題。無線測溫系統是一種集溫度信號采集、大容量存儲、無線射頻發送、LED（或LCD）動態顯示、控制與通信等功能于一體的新型系統。 本文從低功耗、小體積、使用簡單等方面考慮，基于射頻SoC CC2430和數字溫度傳感器DS18B20設計了一個無線測溫系統，整個系統由多個無線節點和1個基站組成。無線節點工作在各個測溫地點，進行溫度數據采集和無線發送。基站與多個節點進行無線通信，并通過數碼管將數據顯示出來，同時可以通過RS-232串口將數據發送給PC。 CC2430簡介 CC2430是TI/ChipconAs公司最新推出的符合2.4G IEEE802.15.4標準的射頻收發器.利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250 kbit/s可以實現多點對多點的快速組網。CC2430的主要性能參數如下： (1)工作頻帶范圍：2.400～2.483 5 GHz；(2)采用IEEE802.15.4規范要求的直接序列擴頻方式； (3)數據速率達250 kbit/s碼片速率達2 MChip/s； (4)采用o-QPSK調制方式； (5)超低電流消耗（RX:19.7mA,TX:17.4mA）高接收靈敏度（-99 dBm）； (6)抗鄰頻道干擾能力強(39 dB)； (7)內部集成有VCO、LNA、PA以及電源整流器 采用低電壓供電(2.1～3.6V)； (8)輸出功率編程可控； (9)IEEE802.15.4 ＭＡＣ層硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、16bit CRC校驗、電源檢測、完全自動MAC層安全保護(CTR,CBC－MAC,CCM)； (10)與控制微處理器的接口配置容易(4總線SPI接口)； (11)采用QLP-48封裝，外形尺寸只有７７ｍｍ。CC2430只需要極少的外圍元器件，其典型應用電路 如圖２所示。它的外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3個部分。 芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，有晶振1為基于CC2430芯片的ZigBee在智能交通系統中的應用 32 MHz, 晶振2為32.768 kHz。 射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為60 Ω，同時為芯片內部的PA及LNA提供直流偏置。 CC2430可以通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式 并實現讀／寫緩存數據 讀／寫狀態寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態可設置發射／接收緩存器。注意：在SPI總接口上進行的地址和數據傳輸大多是MSB優先的。 CC2420片內有33個16比特狀態設置寄存器,在每個寄存器的讀／寫周期中,SI總線上共有24比特數據,分別為:1比特RAM／寄存器選擇位(0:寄存器，1:RAM),1比特讀／寫控制位(0:寫，1:讀),6比特地址選擇位、16比特數據位。在數據傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外,通過CCA管腳狀態的設置可以控制清除通道估計,通過SFD管腳狀態的設置可以控制時鐘／定時信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應管腳相連來實現系統射頻功能的控制與管理。CC2430先將要傳輸的數據流進行變換,每個字節被分組為兩個符號,每個符號包括4個比特LSB優先傳輸。每個被分組的符號用32碼片的偽隨機序列表示,共有16個不同的32碼片偽隨機序列。經過DSSS擴頻變換后,碼片速率達到2Mchips/s，此碼片序列再經過O-QPSK調制,每個碼片被調制為半個周期的正弦波。碼片流通過I/Q通道交替傳輸,兩通道延時為半個碼片周期。 CC2430為IEEE802.15.4的數據幀格式提供硬件支持。其MAC層的幀格式為 頭幀＋數據幀＋校驗幀；PHY層的幀格式為,同步幀＋PHY頭幀＋MAC幀,幀頭序列的長度可以通過寄存器的設置來改變。可以采用16位CRC校驗來提高數據傳輸的可靠性。發送或接收的數據幀被送入RAM中的128字節的緩存區進行相應的幀打包和拆包操作。 DS18B20概述 DS18B20是美國DALLAS公司的“單總線”數字溫度傳感器，它具有結構簡單、體積小、功耗低、無須外接元件、用戶可自行設定預警上下限溫度等特點。“單總線”結構獨特而且經濟，采用一根I/O數據線既可供電又可傳輸數據，使用戶可輕松地組建傳感器網絡，為測量系統的構建引入全新概念。 3引腳封裝的DS18B20形如一只三極管，其內部結構如圖2所示。主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非易失性的溫度報警觸發器和配置寄存器。此外，還有電源檢測模塊、存儲和控制邏輯器、中間結果緩存器和8位循環冗余校驗碼（CRC）發生器。 ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，可以看作該DS18B20的地址序列碼，每個DS18B20的64位序列號均不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。DS18B20內部的RAM由9個字節的高速緩存器和E2PROM組成，數據先寫入高速緩存器，經校驗后再傳送給E2PROM。通過DS18B20功能命令對RAM進行操作。 DS18B20的測量溫度范圍為-55℃～125℃,在-10℃～85℃范圍內，精度為0.5℃，可編程設定9～12位的分辨率，默認值為12位，轉換12位溫度信號所需時間為750ms（最大）。檢測溫度由2字節組成，字節1的高5位S代表符號位，字節0的低4位是小數部分，中間7位是整數部分。 無線測溫系統組成及硬件設計 無線測溫系統主要可分為基站和無線節點兩大部分。每套系統一般只有1個基站，包括微控制器及射頻收發單元、顯示單元、報警單元、電源模塊及接口單元，主要硬件連接。 接口單元是為了方便射頻模塊和PC的通信，通常可采用RS-232接口、USB接口、以太網接口等，其中，RS-232接口是目前PC與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。本文使用RS-232接口，采用MAX3221芯片實現RS-232電平與TTL電平之間的轉換。MAX3221是MAXIM公司生產的一種RS-232接口芯片，使用單一電源電壓供電，電源電壓在3.0～5.5V范圍內都可以正常工作。 基站接收到數據后，將溫度信息通過數碼管（或液晶顯示屏）顯示出來，根據需要，還可以通過RS-232接口與PC進行通信。為簡化系統，本設計直接用CC2430的I0口驅動數碼管，但是I0口不具備數據保持能力，需要外接一定大小的上拉電阻，顯示方法采用掃描法。采用一個蜂鳴器作為報警裝置，當溫度超過設定范圍時，鳴叫報警。射頻天線采用單鞭天線。 無線節點分布在溫度采集點，由數字溫度傳感器DS18B20、射頻CC2430、天線及電池組成。在實際應用中，可以有多個無線節點，它們與基站之間通過射頻進行無線通信。DS18B20有寄生電源和外部電源兩種供電方式，本文采用外部供電方式，VDD引腳直接連接外部電源。DS18B20在空閑時，其D1腳由上拉電阻置為高電平。無線節點的天線根據實際需要可選用單鞭天線,陶瓷天線或PCB印制天線 基于CC2430和DS18B20的無線測溫系統工作原理及ZigBee網絡 在系統中的工作架構無線溫度信號控制系統的管理模式就是集中管理，分級控制，充分利用現有設施，按實際現狀先進行單個用戶的自適應協調，然后是主干線的協調控制，實現分布式協調的分級控制，最終達到區域控制的系統最優。 基于CC2430和DS18B20的無線測溫的系統，系統具有以下幾個特點： (1)整個控制系統的各個模塊具有高集成度、高可靠性和低功耗、低成本、體積小等優點，維護保養十分方便，只需更換相應節點即可，避免了傳統控制線路本身帶來許多麻煩，從而大大減少了設備購置成本，建設安裝成本和系統維護成本。 （2）卓越的物理性能，整個網絡所使用的無線頻率是國際通用的免費頻段(2.4"2.48 GHz ISM)， 傳輸的方式是抗干擾能力強的直序擴頻方式（DSSS），特別適合在干擾較大的環境中使用。 （3）網絡的自組織、自愈能力強，ZigBee的自組織功能：無需人工干預，網絡節點能夠感知其他節點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡；ZigBee自愈功能：增加或者刪除一個節點，節點位置發生變動，節點發生故障等，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工干預，保證整個系統仍然能正常工作。 結束語 通過系統的設計和對于CC2430芯片的使用，感覺到ZigBee無線溫度傳感網絡應用前景非常廣闊，CC2430芯片是真正意義上的SOC芯片，使得我們開發ZigBee無線傳感網絡會更加方便，產品開發周期會大大縮短。 |
