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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CC2520是TI针对2.4 GHz免许可ISM频段的第二代ZigBee®/IEEE 802.15.4 RF收发器。该芯片通过提供最先进的选择性/共存性,出色的链路预算,高达125°C的工作温度和低电压工作,实现了工业级应用。此外,CC2520还提供广泛的应用硬件支持帧处理,数据缓冲,突发传输,数据加密,数据认证,空闲信道评估,链路质量指示和帧定时信息。这些功能可降低主控制器的负载。 在典型系统中,CC2520将与微控制器和一些额外的无源元件一起使用。 特性 申请 IEEE 802.15.4系统 ZigBee®系统 工业监控 家庭和楼宇自动化 自动抄表 低功耗无线传感器网络 机顶盒和遥控器 消费类电子产品 主要特点 最先进的选择性/共存相邻信道抑制:49 dB 备用信道抑制:54 dB 出色的链路预算(103dB) 400 m视距范围 扩展温度范围(? ?40至+ 125°C) 宽电源范围:1.8 V ?? 3.8 V 广泛的IEEE 802.15.4 MAC硬件支持卸载微控制器 AES-128安全模块 CC2420接口兼容模式 低功率 RX(接收帧,?? 50 dBm)18.5 mA TX 33.6 mA @ +5 dBm TX 25.8 mA @ 0 dBm 设备齐全的开发套件 硬件中的数据包嗅探器支持 ZigBee®是Z...

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CC2520 二代 2.4GHz ZigBee/IEEE 802.15.4 射频收发器

CC2592 2.4GHZ 射频范围扩展器

CC2592器件是一款针对低功率和低压2.4GHz无线应用的经济高效且高性能的RF前端。 CC2592器件是一款针对德州仪器(TI)所有CC25XX 2.4GHz低功率RF收发器,发射器和片上系统产品的范围扩展器。 为了增加链路预算,CC2592器件提供一个可增加输出功率的功率放大器,以及一个具有低噪声系数的LNA,以提升接收器灵敏度。 CC2592器件提供一个极小尺寸,高输出功率RF设计,此设计采用4mm x 4mm四方扁平无引线(QFN)-16封装。 CC2592器件包含高性能无线应用简单设计所需的PA,LNA,开关,RF匹配和不平衡变压器。 特性 与德州仪器(TI)2.4GHz低功率RF器件的无缝对接 + 22dBm输出功率 CC2520,CC253X和CC85XX上3dB典型经改进灵敏度 极少的外部组件 集成开关 集成匹配网络 集成不平衡变压器 集成电感器 集成功率放大器(PA) 集成低噪声放大器(LNA) 通过HGM端子的LNA增益数字控制 断电时(LNA_EN = PA_EN = 0),电流100nA 低发送流耗 对于+ 22dBm,PAE = 34%,电压3V时的电流为155mA 低接收流耗 针对高增益模式的4.0mA电流 针对低增益模式的1.9mA电流 4.7dB L...

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CC2592 2.4GHZ 射频范围扩展器

CC2538 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4-2006 和 ZigBee 应用的强大片上系统

CC2538xFnn是适用于高性能ZigBee应用的理想无线微控制器片上系统(SoC)。该器件包含基于ARM Cortex M3的强大的MCU系统,具有高达32KB的片上RAM和高达512KB的片上闪存以及可靠的IEEE 802.15.4射频功能。这使得该器件能够处理涉及安全性,要求严格的应用程序以及无线下载的复杂网络协议栈.32个通用输入和输出(GPIO)以及串行外设接口可实现到电路板其它部分的简单连接。强大的硬件安全加速器可在CPU处理应用任务的同时实现快速且高效的认证和加密。具有保持功能的多个低功耗模式可实现从休眠状态快速唤醒并且显着降低执行顺期平稳开发,CC2538xFnn包括一个强大的调试系统和一个综合性驱动器库。为了减少应用闪存封装尺寸, CC2538xFnn ROM包含一个实用功能库和一个串行引导加载器.CC2538与T我免费提供的稳健且全面的Z-Stack软件解决方案搭配使用,可提供市场上功能最强大,最稳定的ZigBee解决方案。 特性 微控制器 强大的ARM Cortex-M3,具有代码预提取功能 高达32MHz的时钟速度 512KB,256KB或128KB系统内可编程闪存 支持片上无线升级(OTA) 支持双Zigbee应用配置 高达32KB的RAM(...

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CC2538 用于 2.4GHz IEEE 802.15.4-2006 和 ZigBee 应用的强大片上系统

zigbee无线组网协议栈Cellsnet快速使用指南

本文介绍无线路由协议栈Cellsnet的使用操作方法,适用于晓网电子所有的WLT模块及WGT设备,包....

发表于 11-02 16:53 97次 阅读
zigbee无线组网协议栈Cellsnet快速使用指南

NB-IoT技术的历史发展与优势介绍

如今物联网技术在澳门威尼斯人官网手机的比例逐年提高,渗透生产制造、交通物流、健康医疗、消费电子、零售、汽车等应用....

的头像 传感器技术 发表于 11-02 16:07 1360次 阅读
NB-IoT技术的历史发展与优势介绍

如何使用“蓝牙”技术实现嵌入式终端设备的开发及硬件实现

随着无线通信网络的快速发展,蓝牙技术作为一种新型的无线通信技术逐渐发展和壮大起来,并迅速应用于手机、....

发表于 11-02 15:46 142次 阅读
如何使用“蓝牙”技术实现嵌入式终端设备的开发及硬件实现

如何设计一个基于ZigBee技术的网络环境监测系统论文免费下载

随着数字通信和计算机网络的飞速发展,许多短距离无线通信理论和标准相继被提出。从GSM、蓝牙再到Wi.....

发表于 11-01 17:43 80次 阅读
如何设计一个基于ZigBee技术的网络环境监测系统论文免费下载

如何使用Zigbee无线技术设计无线定位系统的资料概述

ZigBee技术是一种短距离、低功耗、低成本的无线组网通讯技术。本文设计了一种基于Zigbee无线技....

发表于 11-01 17:43 74次 阅读
如何使用Zigbee无线技术设计无线定位系统的资料概述

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 18:44 163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