CN103528702A - 基于ZigBee的温度监测装置、系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee的温度监测装置、系统及其实现方法，该装置包括：温度采集电路、射频模块、显示模块、工作模式控制电路以及电源模块，本发明通过采用智能温度传感器，对温度信号进行实时采集、无线传输和显示，同时将包含温度传感器的温度采集装置分别定义为协调器节点、路由器节点和终端传感器节点，通过ZigBee协议栈完成组网功能，并将无线传送的温度数据进行联调，从而集中控制和管理各温度监测点，实现温度报警功能，完成对用户热能使用情况的实时监测。

Description

基于ZigBee的温度监测装置、系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种温度监测装置、系统及其实现方法，特别是涉及一种基于ZigBee的温度监测装置、系统及其实现方法。

背景技术

目前，市场上的温度监控方式，如供暖系统，基本上都是采用有线方式，即，使用导线连接的方式来传输测量数据。因采用有线连接方式，不仅布线繁琐，而且采样节点的选择会因距离、高度等因素大大受限，从而给采样节点的安装和维护带来很大不便，扩展性和可移植性均较差。尤其对于广阔空间环境中的温度采集，如果采用有线方式成本和功耗都比较高。

ZigBee作为一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术，主要用于短距离的无线传输应用中，其不仅能有效解决有线连接方式的弊端，而与其他的无线传输模块相比较，又具有自身的许多技术优势，因此实有必要提出一种技术手段，利用ZigBee 无线通信技术对供暖系统信息进行监控，以有效解决有线网络硬件设施造价过高、结构复杂和现有无线网络通信不流畅数据易被干扰等难点，使供暖公司快捷掌握用户信息，为实现控制中心与网络终端之间的实时互动通信，建设低功耗 、低价位、高可靠性的智能化供暖系统提供可行性方案。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之主要目的在于提供一种基于ZigBee的温度采集装置、系统及其实现方法，其通过采用智能温度传感器，对温度信号进行实时采集、无线传输和显示，同时将包含温度传感器的温度采集装置分别定义为协调器节点、路由器节点和终端传感器节点，通过ZigBee协议栈完成组网功能，并将无线传送的温度数据进行联调，从而集中控制和管理各温度监测点，实现温度报警功能，完成对用户热能使用情况的实时监测。

为达上述及其它目的，本发明提出一种基于ZigBee的温度监测装置，包括：

温度采集电路，利用温度传感器采集所处区域的环境温度，并将采集获得的环境温度数据上传至射频模块；

射频模块，集射频收发及MCU控制功能于一体，接收该温度采集电路的环境温度数据，并通过ZigBee网络对环境温度数据进行无线收发；

显示模块，用于显示采集点的温度；

工作模式控制电路，用于设置组网时射频模块的工作模式；以及

电源模块，用于选择供电方式并给其他各模块供电。

进一步地，该温度检测装置还包括一存储模块，用于存放环境温度数据。

进一步地，该温度采集电路在温度高于高温上限和低于低温下限时可产生报警信息并将信息上传至射频模块。

进一步地，该温度采集电路包括一单总线采集模式的温度传感器和一上拉电阻，实现环境温度的采集。

进一步地，该射频模块至少包括ZigBee模块，集射频收发及MCU控制功能于一体，其外围元件包含两颗晶振及其它一些阻容器件，射频部分采用巴伦匹配和外置高增益SMA天线。

进一步地，该工作模式控制电路为五向按键控制电路，该五向按键控制电路由集成或门电路芯片、集成运放电路芯片、芯片典型电路所需的电阻电容和五向按键及其上拉电阻组成。

进一步地，该电源模块包括直流电源、USB接口电源、电池、供电方式选择电路以及电源稳压电路，通过该供电方式选择电路选择是由电池供电，还是由直流电源供电或USB接口供电，并通过由该电源稳压电路对所选择的电源进行稳压后进行相应输出。

进一步地，该供电方式选择电路利用一插座进行跳线选择，并通过一电源开关对直流电源、USB接口电源及电池进行供电方式选择。

为达到上述目的，本发明还提供一种基于ZigBee的温度监测系统，包括协调器节点、路由器节点以及多个终端传感器节点，各节点均为通过ZigBee网络无线连接的温度监测装置，通过配置参数确定其不同的设备类型，其中，各终端传感器节点分布在各监测区域，用于采集各处的温度参数，该协调器节点作为网关，利用ZigBee网络根据ZigBee协议接收该路由器节点和终端传感器节点的绑定请求从而组建新的网络，该路由器节点起路由作用，接收各终端传感器节点的节点报告并将其发送至该协调器节点。

为达到上述目的，本发明还提供一种基于ZigBee的温度监测系统的实现方法，包括如下步骤：

通过配置参数确定各温度监测装置的设备类型，配置设定好协调器节点、路由器节点以及终端传感器节点；

通过该协调器节点的工作模式控制模块控制协调器节点工作在网关模式，利用ZigBee网络根据ZigBee协议接收路由器节点和终端传感器节点的绑定请求从而组建新的网络；

开启路由器节点，通过该路由器节点的工作模式控制模块控制该路由器节点向协调器节点发送节点报告；

开启终端传感器节点，通过该终端传感器节点的工作模式控制模块控制该终端传感器节点向该协调器节点发送节点报告；

在该路由器节点和该终端传感器节点相继加入网络时，该协调器节点做出绑定应答响应。

与现有技术相比，本发明一种基于ZigBee的温度监测装置、系统及其实现方法通过采用智能温度传感器，对温度信号进行实时采集、无线传输和显示，同时将包含温度传感器的温度采集装置分别定义为协调器节点、路由器节点和终端传感器节点，通过ZigBee协议栈完成组网功能，并将无线传送的温度数据和LabVIEW进行联调，从而集中控制和管理各温度监测点，实现温度报警功能，完成对用户热能使用情况的实时监测。

附图说明

图1为本发明一种基于ZigBee的温度监测装置的系统架构图；

图2为本发明较佳实施例中温度采集电路的电路示意图；

图3为本发明较佳实施例中显示模块的电路示意图；

图4为本发明较佳实施例中五向按键控制电路的电路示意图；

图5为本发明较佳实施例中电源模块的电路示意图；

图6为本发明较佳实施例中射频模块接口电路的电路示意图；

图7本发明较佳实施例中RS232串口收发器模块电路的电路示意图；

图8为本发明一种基于ZigBee的温度监测系统的系统架构图；

图9为本发明一种基于ZigBee的温度监测系统的实现方法的步骤流程图；

图10为本发明较佳实施例中路由器节点、终端传感器节点加入协调器节点建立的网络的示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种基于ZigBee的温度监测装置的系统架构图。如图1所示，本发明一种基于ZigBee的温度监测装置，包括：温度采集电路10、射频模块11、存储模块12、显示模块13、工作模式控制电路14以及电源模块15。

温度采集电路10利用温度传感器采集所处区域的环境温度，并将采集获得的环境温度数据上传至射频模块11，同时，温度采集电路10在温度高于高温上限和低于低温下限时可以产生报警信息并将信息上传至射频模块11，在本发明中，温度采集电路10采用单总线模式，即利用一根数据线完成通信；射频模块11，集射频收发及MCU控制功能于一体，用于接收温度采集电路10的环境温度数据，并通过ZigBee网络对环境温度数据进行无线收发；存储模块12，用于存放环境温度数据，在本发明较佳实施例中，存储模块12为一闪存电路，其由页可擦除串行闪存存储器、上拉电阻以及电源和地端的去耦电容组成，由于闪存电路为习知技术，在此不予赘述；显示模块13，用于显示采集点的温度；工作模式控制电路14，用于设置组网时射频模块的工作模式；电源模块15，用于选择供电方式并给其他各模块供电。

图2为本发明较佳实施例中温度采集电路的电路示意图。在本发明较佳实施例中，温度采集电路10由温度传感器DS18B20（P17/P18/P19）和一4.7KΩ的上拉电阻（R56—R61）组成。DS18B20芯片是典型的单总线采集模式，只需要一根数据线即可完成通信，具有寄生电源供电和外部电源供电两种供电方式，本发明较佳实施例中采用的是外部电源供电方式。由于温度传感器DS18B20内部的ROM中有一个64位的序列号，为单总线多点温度测量提供了可能，利用温度传感器DS18B20内部中Th、Tl两个高低温报警触发器可以实现温度报警功能。

在本发明较佳实施例中，射频模块11至少包括ZigBee模块，其集射频收发及MCU控制功能于一体，其外围元件包含一颗32MHz 晶振和一颗32.768KHz晶振及其它一些阻容器件。射频部分采用巴伦匹配和外置高增益SMA天线，接收灵敏度高，发送距离远，空旷环境最大传输距离可达400米。

在本发明较佳实施例中，显示模块13选用128*64的点阵图形液晶。液晶显示采用串行模式，如图3所示，LCD_SCL、LCD_SI、VCC_LCD_L、GND、L_BLA_L、LCD_CS、LCD_RESET、LCD_A0分别表示串行模式时钟端、串行模式数据端、模块逻辑电源输入端、逻辑电源地、LED背光电源正端、芯片选通端（低电平有效）、复位信号（低电平有效）、命令数据选通端（H：数据，L：命令），通过液晶模块可以实时在终端节点上显示采集的温度值。

在本发明较佳实施例中，工作模式控制电路14为五向按键控制电路，该电路主要由集成或门电路芯片SN74HC32、集成运放电路芯片TLV272、芯片典型电路所需的电阻电容和五向按键及其上拉电阻组成。如图4所示，U3可以检测五个方向（中心、向上、向下、向左、向右）和一个按键动作。需要有KEY_UP、KEY_DOWN、KEY_LEFT、KEY_RIGHT、KEY_PUSH 五个信号来描述方向按键动作。在与射频控制模块配合时，提供两个信号KEY_MOVE、 KEY_LEVEL来描述按键动作。当按键朝任何方向移动或被按下时，KEY_MOVE为高电平。

同时，另一个信号KEY_LEVEL的值来表述按键方向。表1为其对应关系，如表1所示：

表1 五向按键方向对应电压

按键方向	KEY_LEVEL（单位V）
		UP	0.31
DOWN	1.16
		left	1.62
right	1.81
		center	2.12

在本发明较佳实施例中，电源模块15采用三种电源供电方式，即为直流电源（如DC 5V）供电、USB接口供电和电池供电，如图5所示，采用三种电源供电方式，即为DC 5V供电、USB接口供电和电池供电，电源模块15包括直流电源（P2）、USB接口电源（P1）、电池（P3）、供电方式选择电路以及电源稳压电路，其中通过供电方式选择电路选择是由电池供电，还是由直流电源供电或USB接口供电，在本发明较佳实施例中，供电方式选择电路在插座P5处设置跳线选择，当PIN1-PIN2被跳线帽短接时表示本发明温度采集装置实际设计的主开发板采用电池供电；当PIN2-PIN3被跳线帽短接时表示主开发板为DC 5V供电或者USB接口供电，此时主开发板具体采用哪种供电方式视主开发板外接的电源类型决定，然后通过电源开关P4选择由何种电源供电。实际工作时，将P6、P7、P8分别用跳线帽短接，图5中的电源开关P4开关拨向左边时，由电池（P3）供电，这时将P5插座的PIN1-PIN2短接，通过电源稳压电路（电源稳压芯片TPS79333）提供3.3V的输出电压；图5中的P4开关拨向右边时，由USB（P1）或DC 5V（P2）供电，这时将P5插座的PIN2-PIN3短接，通过电源稳压电路（电源稳压芯片AMS1117）提供3.3V的输出电压，通过短接的P6、P7、P8向芯片供电（VCC_RF、VCC_IO、VCC_DISPLAY），其中，电源稳压芯片TPS79333与电源稳压芯片AMS1117为低压差线性稳压器。

在实际设计中，本发明之温度采集装置还包括射频模块接口电路，以将射频模块连接至实际设计中的主控板，便于维护，该射频模块接口电路由一7x2的双排座和一6x2的双排座组成，如图6所示，其相应引脚为常规设计，在此不予赘述。

在实际设计中，本发明之温度采集装置还包括RS232串口收发器模块电路，如图7所示，其用于将实际设计中的主控芯片的低压串行通信数据与工业用9针DB9接口的±5V标准串行通信数据进行电平转换，RS232串口收发器模块电路是由3V到5.5V的多通道RS232线性收发器MAX3232、九针RS232接口、MAX3232典型电路所需的旁路电容以及指示灯组成，电源端和地端的0.1μf电容是为了去除数字电路的耦合干扰。可以进行RS232电平转换，用于和其它外设进行通讯。RS232串口收发器模块电路中设有电源跳线P9，用于设置串口芯片启动和关闭。串口带有两个收发指示灯D5、D6，分别用于表示串口是否收到或正在发送数据，D7为串口电源指示灯，其它为常规设计，在此不予赘述。

图8为本发明一种基于ZigBee的温度监测系统的系统架构图。如图8所示，本发明之基于ZigBee的温度监测系统包括协调器节点90、路由器节点91以及多个终端传感器节点92，各节点均为通过ZigBee网络无线连接的温度监测装置，通过配置参数确定其不同的设备类型。

其中，各终端传感器节点92分布在各监测区域，用于采集各处的温度参数；协调器节点90作为网关，利用ZigBee网络根据ZigBee协议接收路由器节点91和终端传感器节点92的绑定请求从而组建新的网络；路由器节点91起路由作用，由路由器节点91接收各终端传感器节点92的节点报告并将其发送至协调器节点。

图9为本发明一种基于ZigBee的温度监测系统的实现方法的步骤流程图。如图9所示，本发明一种基于ZigBee的温度监测系统的实现方法，包括如下步骤：

步骤101，通过配置参数确定各温度监测装置的设备类型，配置设定好协调器节点、路由器节点以及终端传感器节点；

步骤102，通过协调器节点的工作模式控制模块控制协调器节点工作在网关模式，利用ZigBee网络根据ZigBee协议接收路由器节点和终端传感器节点的绑定请求从而组建新的网络。在本发明较佳实施例中，按下协调器节点的五向按键的RIGHT键，开启接收报告功能，即协调器节点此时工作在网关模式下，可以接收路由器节点和终端传感器节点的绑定请求从而组建新的网络。

步骤103，开启路由器节点，通过路由器节点的工作模式控制模块控制路由器节点向协调器节点发送节点报告。在本发明较佳实施例中，开启路由器节点电源，按下路由器节点五向按键的DOWN键，路由器开始向协调器发送节点报告。

步骤104，开启终端传感器节点，通过过路由器节点的工作模式控制模块控制终端传感器节点向协调器节点发送节点报告。在本发明较佳实施例中，开启终端传感器节点电源，按下五向按键的DOWN键，终端传感器节点开始向协调器节点发送报告。

步骤105，在路由器节点和终端传感器节点相继加入网络时，协调器节点也做出绑定应答响应。

图10为本发明较佳实施例中路由器节点、终端传感器节点加入协调器节点建立的网络的示意图。如图10所示，在Z-Sensor Monitor界面上显示传感器节点加入到协调器节点建立的网络中，并显示出当前的室温27°C以及此时传感器节点的地址。

综上所述，本发明一种基于ZigBee的温度监测装置、系统及其实现方法通过采用智能温度传感器，对温度信号进行实时采集、无线传输和显示，同时将包含温度传感器的温度采集装置分别定义为协调器节点、路由器节点和终端传感器节点，通过ZigBee协议栈完成组网功能，并将无线传送的温度数据和LabVIEW进行联调，从而集中控制和管理各温度监测点，实现温度报警功能，完成对用户热能使用情况的实时监测。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种基于ZigBee的温度监测装置，包括：

温度采集电路，利用温度传感器采集所处区域的环境温度，并将采集获得的环境温度数据上传至射频模块；

射频模块，集射频收发及MCU控制功能于一体，接收该温度采集电路的环境温度数据，并通过ZigBee网络对环境温度数据进行无线收发；

显示模块，用于显示采集点的温度；

工作模式控制电路，用于设置组网时射频模块的工作模式；以及

电源模块，用于选择供电方式并给其他各模块供电。

2.如权利要求1所述的一种基于ZigBee的温度监测装置，其特征在于：该温度检测装置还包括一存储模块，用于存放环境温度数据。

3.如权利要求2所述的一种基于ZigBee的温度监测装置，其特征在于：该温度采集电路在温度高于高温上限和低于低温下限时可产生报警信息并将信息上传至射频模块。

4.如权利要求3所述的一种基于ZigBee的温度监测装置，其特征在于：该温度采集电路包括一单总线采集模式的温度传感器和一上拉电阻，实现环境温度的采集。

5.如权利要求2所述的一种基于ZigBee的温度监测装置，其特征在于：该射频模块至少包括ZigBee模块，集射频收发及MCU控制功能于一体，其外围元件包含两颗晶振及其它一些阻容器件，射频部分采用巴伦匹配和外置高增益SMA天线。

6.如权利要求2所述的一种基于ZigBee的温度监测装置，其特征在于：该工作模式控制电路为五向按键控制电路，该五向按键控制电路由集成或门电路芯片、集成运放电路芯片、芯片典型电路所需的电阻电容和五向按键及其上拉电阻组成。

7.如权利要求2所述的一种基于ZigBee的温度监测装置，其特征在于：该电源模块包括直流电源、USB接口电源、电池、供电方式选择电路以及电源稳压电路，通过该供电方式选择电路选择是由电池供电，还是由直流电源供电或USB接口供电，并通过由该电源稳压电路对所选择的电源进行稳压后进行相应输出。

8.如权利要求7所述的一种基于ZigBee的温度监测装置，其特征在于：该供电方式选择电路利用一插座进行跳线选择，并通过一电源开关对直流电源、USB接口电源及电池进行供电方式选择。

9.一种基于ZigBee的温度监测系统，其特征在于：该系统包括协调器节点、路由器节点以及多个终端传感器节点，各节点均为通过ZigBee网络无线连接的温度监测装置，通过配置参数确定其不同的设备类型，其中，各终端传感器节点分布在各监测区域，用于采集各处的温度参数，该协调器节点作为网关，利用ZigBee网络根据ZigBee协议接收该路由器节点和终端传感器节点的绑定请求从而组建新的网络，该路由器节点起路由作用，接收各终端传感器节点的节点报告并将其发送至该协调器节点。

10.一种基于ZigBee的温度监测系统的实现方法，包括如下步骤：

通过配置参数确定各温度监测装置的设备类型，配置设定好协调器节点、路由器节点以及终端传感器节点；

通过该协调器节点的工作模式控制模块控制协调器节点工作在网关模式，利用ZigBee网络根据ZigBee协议接收路由器节点和终端传感器节点的绑定请求从而组建新的网络；

开启路由器节点，通过该路由器节点的工作模式控制模块控制该路由器节点向协调器节点发送节点报告；

开启终端传感器节点，通过该终端传感器节点的工作模式控制模块控制该终端传感器节点向该协调器节点发送节点报告；

在该路由器节点和该终端传感器节点相继加入网络时，该协调器节点做出绑定应答响应。

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