CN108801484A - 一种基于ZigBee网络的多功能温度测量系统 - Google Patents

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马成勇
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Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee网络的多功能温度测量系统，包括测量模块、控制器和计算机端，所述测量模块用于测量温度，并将测量的温度数据传输给所述控制器，所述控制器用于搭建网络、传输所述温度数据给所述计算机端以及对所述测量模块进行监控管理，用户通过所述计算机端对所述温度数据进行在线处理。本发明实现分布式测量与集中式测量的双向选择，用户可利用上位机实现任意单个测量模块或多个测量模块的选择，同时实现对测量模块的监管，以便及时了解其工作状态；并可实现对温度数据的保存、调用、导入、分析等一系列的在线分析处理。

Description

一种基于ZigBee网络的多功能温度测量系统
技术领域
本发明涉及温度测量设备技术领域，尤其涉及一种基于ZigBee网络的多功能温度测量系统。
背景技术
温度测量是工业、农业、国防和科研等部门最普遍的测量项目，在工农业生产、现代科学研究及高新技术开发过程中也是一个极其普遍而重要的测量参数。温度测量的方法有很多，从测量方法上可以分为接触式测量和非接触式测量，由于测量原理的多样性，很难找到一种完全理想的分类方法。
通常情况下，很多测量系统都会通过导线与计算机接口、传感器发生联系。在实际操作中，对空间内的位置进行温度测试会造成器材架构困难的问题，同时也会对测量工作带来很大的影响。而且目前应用的温度测量系统大多采用有线传输数据，且在多点测量时用线很多，给系统的排线带来很大麻烦，并且传输系统安装和排卸繁杂，成本也高。同时多数的温度测量系统只具有单一的测量方式，没有将分布式和集中式相结合，而且测量通道固定，无法根据实际需求选择相应数量的测量单元。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于ZigBee网络的多功能温度测量系统，可实现分布式测量与集中式测量的双向选择，用户可利用上位机实现任意单个测量模块或多个测量模块的选择，同时实现对测量模块的监管，以便及时了解其工作状态；并可实现对温度数据的保存、调用、导入、分析等一系列的在线分析处理。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于ZigBee网络的多功能温度测量系统，所述基于ZigBee网络的多功能温度测量系统包括测量模块、控制器和计算机端，所述测量模块用于测量温度，并将测量的温度数据传输给所述控制器，所述控制器用于搭建网络、传输所述温度数据给所述计算机端以及对所述测量模块进行监控管理，用户通过所述计算机端对所述温度数据进行在线处理；
所述测量模块包括传感器、测量单元和第一电源，所述传感器和第一电源分别与所述测量单元电性连接；所述传感器用于测量温度，并将测量的温度数据传输给所述测量单元；所述测量单元用于将温度数据放大、冷端补偿以及转换成数字信号，并将其传输给所述控制器；所述第一电源用于为所述测量模块供电；
所述控制器包括处理器单元和第二电源，所述第二电源与所述处理器单元电性连接；所述处理器单元用于搭建网络，接收所述温度数据，并将所述温度数据传输给所述计算机端；所述第二电源用于为所述控制器供电；
所述计算机端包括上位机和上位机WiFi模块，通过所述上位机WiFi模块接收温度数据，用户通过所述上位机对温度数据进行在线处理。
进一步地，所述基于ZigBee网络的多功能温度测量系统包括两个以上的测量模块，每个测量模块独自分开测量的同时，还可以对每个测量模块的温度数据进行融合，实现温度的集中式测量。
进一步地，所述测量单元包括信号调理电路和ZigBee终端，所述传感器输出的温度数据通过所述信号调理电路实现放大及冷端补偿，然后转换为与温度相关的电压信号，再经过所述ZigBee终端转换成数字信号。
进一步地，所述处理器单元包括ZigBee协调器和协调器WiFi模块，所述ZigBee协调器与所述协调器WiFi模块通过串口模式实现数据传输；所述ZigBee协调器还包括ZigBee天线，通过所述ZigBee天线来接收所述ZigBee终端传输的温度数据；所述协调器WiFi模块还包括WiFi天线，通过所述WiFi天线将温度数据传输给所述计算机端；所述ZigBee协调器用于搭建网络，并对不同测量模块的ZigBee终端进行识别。
进一步地，所述ZigBee终端还包括天线和定时器，两个以上的ZigBee终端分别通过天线各自传输其温度数据，并由所述ZigBee协调器通过所述ZigBee天线接收，所述ZigBee协调器判断连续两次以上未传输温度数据的ZigBee终端掉线，并将掉线的ZigBee终端反馈给所述计算机端；所述定时器用于控制所述传感器采集温度数据的时间间隔和所述ZigBee终端发送温度数据的时间间隔。
进一步地，所述上位机包括初始化区、测量模块选择区、数据保存区、数据查看区、数据导入区、数据处理区和显示区，所述初始化区将所述上位机WiFi模块连接至所述协调器WiFi模块设定的IP地址，通过所述测量模块选择区来控制不同的测量模块以进行相应测量处的温度测量，通过所述数据保存区将接收的温度数据进行保存，通过所述数据导入区将用户设定的温度数据导入所述计算机端，通过所述数据处理区对用户设定的温度和测量的温度数据进行处理。
进一步地，所述数据处理区通过对比用户设定的温度和测量的温度数据以显示二者的差值，并对同一测量处的两个以上的测量模块的温度数据取平均值。
进一步地，所述第一电源先经过稳压电路得到稳定电压后，再接入所述信号调理电路。
进一步地，所述传感器为K型热电偶，实现0-1300℃温度范围内的测量。
进一步地，所述信号调理电路采用AD8495搭建的电路，AD8495内置仪表放大器。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)实现分布式测量与集中式测量的双向选择，可独立分开测量与采集多处测量处的温度，也可实现某一测量处的集中式精确测量与采集温度；(2)用户可利用上位机实现任意单个测量模块或多个测量模块的选择，同时实现对测量模块的监管，以便及时了解其工作状态；(3)用户利用上位机可实现对温度数据的保存、调用、导入、分析等一系列的在线分析处理。
附图说明
图1是本发明的基于ZigBee网络的多功能温度测量系统的组成框架图；
图2是本发明的测量模块的组成框架图；
图3是本发明的信号调理电路的示意图；
图4是本发明的控制器的组成框架图；
图5是本发明的计算机端的组成框架图。
图中，10-测量模块，11-传感器，12-测量单元，121-信号调理电路，122-ZigBee终端，13-天线，14-第一电源，141-稳压电路，15-定时器，20-控制器，21-ZigBee天线，22-处理器单元，221-ZigBee协调器，222-协调器WiFi模块，23-WiFi天线，24-第二电源，30-计算机端，31-上位机，311-初始化区，312-测量模块选择区，313-数据保存区，314-数据查看区，315-数据导入区，316-数据处理区，317-显示区，32-上位机WiFi模块，C1-第一电阻，R1-第一电容，R2-第二电阻，C2-第二电容，R3-第三电阻，C3-第三电容，R4-第四电阻，C4-第四电容，GND-地线，D1-稳压管。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
图1所示的是本发明的一种基于ZigBee网络的多功能温度测量系统的组成框架图，所述基于ZigBee网络的多功能温度测量系统包括测量模块10、控制器20和计算机端30。所述测量模块10用于测量温度，并将测量的温度数据传输给所述控制器20，所述控制器20用于网络搭建、所述温度数据的传输以及对所述测量模块10进行监控管理，用户通过所述计算机端30对所述温度数据进行在线处理。
如图2所示，所述测量模块10包括传感器11、测量单元12和第一电源14，其中所述测量单元12包括信号调理电路121和ZigBee终端122，所述ZigBee终端122还包括天线13和定时器15。所述传感器11、第一电源14分别与所述测量单元12电性连接。所述基于ZigBee网络的多功能温度测量系统包括两个以上的测量模块10，例如有七个测量模块10，在测量时可选择分布式测量(在空间内各个不同的测量处进行分开测量)或集中式测量(在空间内某一测量处进行集中测量)，集中式测量可使得七个测量模块10独自分开采集温度数据的同时，还可以实现某一测量处的集中式精确测量，例如，将七个测量模块10集中放置于某一测量处进行测量，对该测量处的七个测量模块10的温度数据进行取平均值，并以该平均值表示该测量处的温度。各个测量模块10分开独立工作，相互之间不影响，用户可利用所述计算机端30实现任意单个测量模块10或多个测量模块10的选择。
所述传感器11用于测量温度，优选的，所述传感器11为K型热电偶，可以实现0-1300℃温度范围内的测量。所述传感器11输出的信号(测量的温度数据)接过所述信号调理电路121后，实现放大及冷端补偿，并转换为与温度相关的电压信号，再经过所述ZigBee终端122，利用ZigBee本身自带的14位AD(有效位12位)将所述信号调理电路121输出的电压信号转换成数字信号。所述第一电源14为所述测量模块10供电，优选的，所述第一电源14为锂电池，例如12V的锂电池。为了防止所述信号调理电路121受到干扰，将所述第一电源14与信号调理电路121分开，为了使得所述第一电源14提供稳定的供电电压，可将先所述第一电源14经过稳压电路141(例如，9V稳压电路)后得到的稳定电压，再接入所述信号调理电路121，这样可以使得所述信号调理电路121的供电不会随所述第一电源14的变化而变化。所述定时器15可由所述ZigBee终端122通过程序进行设定，用于控制所述传感器11采集温度数据的时间间隔和所述ZigBee终端122通过所述天线13发送温度数据的时间间隔，例如可将所述定时器15的时间间隔设定为3s、5s、10s等，又例如将所述传感器11采集温度数据的时间间隔和所述ZigBee终端122通过所述天线13发送温度数据的时间间隔设置为相同的。
如图3所示的所述信号调理电路121，所述传感器11的输出信号通过所述信号调理电路121，可以转成与温度成一定关系的模拟电压信号输出。优选的，所述信号调理电路121采用的AD8495搭建的电路，AD8495内置一个高精度仪表放大器，有利于实现所述传感器11输出温度数据的放大和冷端补偿，该放大器具有高共模抑制性能，能够抑制长引线热电偶可能会拾取的共模噪声，例如所述信号调理电路121的输出端增益为5mV/℃。为方便理解本发明，假设从热电偶到放大器输出端的增益约为5mV/℃，温度为T，所述信号调理电路121输出电压为V，则V＝T*5mV+1.25V。图3中P2的1端接所述传感器11输出信号的负端，2端接所述传感器11输出信号的正端；图3中第一电阻R1和第一电容C1相接，然后第一电容C1的另一端(如图3中3-8处)接GND(地线)，第一电阻R1和第一电容C1构成一个低通滤波器，第一电阻R1的另一端(如图3中3-2处)接入P1的2端，作为该低通滤波器的输入，该低通滤波器的输出(如图3中3-4处)接到AD8495的IN+端；同理第二电阻R2和第二电容C2也构成一个低通滤波器，该滤波器的输入端(如图3中3-1处)还需要接一个下拉电阻R3(第三电阻R3)，第三电阻R3的另外一端(如图3中3-0处)接入GND；第二电阻R2和第二电容C2构成的低通滤波器输出端(如图3中3-3处)接入AD8495的IN-端，同时在两个滤波器的输出端(3-4和3-3)之间接入一个第三电容C3；图3中第四电阻R4一端和VCC相连，另一端和D1(稳压管)相接，D1的另外一端(如图3中3-6处)接GND，D1是一个稳压管，可以得到1.25V的电压，将第四电阻R4和D1的相接处(图3中3-5处)接到AD8495的REF端，使得AD8495的参考电压为1.25V；图3中AD8495的-Vs端接到GND，SENSE端和OUT端接在一起，作为AD8495的输出端，NC端不用接；图3中的P2的1端接VCC(电源正端)，2端和4端接GND，3端AD8495的输出。
如图4所示，所述控制器20主要负责网络搭建、数据传输以及对所述测量模块10的监控管理，所述控制器20包括处理器单元22和第二电源24，其中，所述处理器单元22包括ZigBee协调器221和协调器WiFi模块222，所述ZigBee协调器221还包括ZigBee天线21，可通过所述ZigBee天线21进行数据传输，例如所述ZigBee协调器221通过所述ZigBee天线21来接收所述ZigBee终端122传输的温度数据；所述协调器WiFi模块222还包括WiFi天线23，可通过所述WiFi天线23进行数据传输，例如所述协调器WiFi模块222通过所述WiFi天线23将温度数据传输给所述计算机端30。优选的，所述协调器WiFi模块222为WM-G-MR09WiFi模块。所述第二电源24与所述处理器单元22电性连接，所述第二电源24为所述控制器20供电。所述ZigBee天线21与ZigBee协调器221连接，所述WiFi天线23与协调器WiFi模块222连接，所述ZigBee协调器221与所述协调器WiFi模块222通过串口模式实现数据传输。
所述控制器20上电后，由所述ZigBee协调器221搭建好网络，所述测量模块10将申请加入该网络，加入该网络后会将其温度数据发给所述ZigBee协调器221。为降低功耗，本发明将采集温度数据的周期和发送温度数据的周期用所述定时器15设定为同一时间间隔，所述传感器11每隔一个时间间隔将采集一次温度数据，所述ZigBee终端122每隔一个时间间隔将接收的温度数据发送给所述ZigBee协调器221。所述ZigBee协调器221会对接收到的温度数据进行所述ZigBee终端122识别，从而分类处理，以区分不同温度数据的来源；同时所述控制器20将处理好的温度数据通过协调器WiFi模块222发送给所述计算机端30，用户通过所述上位机31对温度数据进行实时在线处理。
如图5所示，所述计算机端30包括上位机31和上位机WiFi模块32，所述上位机31包括初始化区311、测量模块选择区312、数据保存区313、数据查看区314、数据导入区315、数据处理区316和显示区317。通过所述初始化区311可将所述上位机WiFi模块32连接至所述协调器WiFi模块222设定的IP地址上，而所述测量模块选择区312、数据保存区313、数据查看区314、数据导入区315、数据处理区316可以用来对接收到的温度数据做一系列实时在线处理分析，通过所述测量模块选择区312来控制不同的测量模块10以进行相应测量处的温度测量，通过所述数据保存区313来将接收的温度数据进行保存，通过所述数据导入区315将用户设定的温度数据导入所述计算机端30，通过所述数据处理区316对用户设定的温度和测量的温度数据进行处理，例如对比用户设定的温度和测量的温度数据以显示差值，又例如对某一测量处的两个或两个以上的测量模块10的温度数据进行取平均值以实现该测量处温度的精准测量，所述显示区317主要用于温度曲线的显示以及历史数据查看、显示等。
两个以上的ZigBee终端122分别通过天线13各自传输其温度数据，并由所述ZigBee协调器221通过所述ZigBee天线21接收，所述ZigBee协调器221通过所述协调器WiFi模块222，可将各个测量模块10的温度数据传给所述上位机31，同时，所述ZigBee协调器221还承担监管所述测量模块10的作用，以监测工作期间某一测量模块10可能出现掉线而无法工作的情况，所述ZigBee协调器若连续多次(例如2次、3次、5次等)未接收到某一ZigBee终端122的温度数据，则判断该ZigBee终端122掉线或不工作，并将该掉线或不工作的ZigBee终端122反馈给所述计算机端30。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：(1)实现分布式测量与集中式测量的双向选择，可独立分开测量与采集多处测量处的温度，也可实现某一测量处的集中式精确测量与采集温度；(2)用户可利用上位机实现任意单个测量模块或多个测量模块的选择，同时实现对测量模块的监管，以便及时了解其工作状态；(3)用户利用上位机可实现对温度数据的保存、调用、导入、分析等一系列的在线分析处理。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于ZigBee网络的多功能温度测量系统，其特征在于：所述基于ZigBee网络的多功能温度测量系统包括测量模块、控制器和计算机端，所述测量模块用于测量温度，并将测量的温度数据传输给所述控制器，所述控制器用于搭建网络、传输所述温度数据给所述计算机端以及对所述测量模块进行监控管理，用户通过所述计算机端对所述温度数据进行在线处理；
所述测量模块包括传感器、测量单元和第一电源，所述传感器和第一电源分别与所述测量单元电性连接；所述传感器用于测量温度，并将测量的温度数据传输给所述测量单元；所述测量单元用于将温度数据放大、冷端补偿以及转换成数字信号，并将其传输给所述控制器；所述第一电源用于为所述测量模块供电；
所述控制器包括处理器单元和第二电源，所述第二电源与所述处理器单元电性连接；所述处理器单元用于搭建网络，接收所述温度数据，并将所述温度数据传输给所述计算机端；所述第二电源用于为所述控制器供电；
所述计算机端包括上位机和上位机WiFi模块，通过所述上位机WiFi模块接收温度数据，用户通过所述上位机对温度数据进行在线处理。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee网络的多功能温度测量系统，其特征在于：所述基于ZigBee网络的多功能温度测量系统包括两个以上的测量模块，每个测量模块独自分开测量的同时，还可以对每个测量模块的温度数据进行融合，实现温度的集中式测量。
3.根据权利要求2所述的基于ZigBee网络的多功能温度测量系统，其特征在于：所述测量单元包括信号调理电路和ZigBee终端，所述传感器输出的温度数据通过所述信号调理电路实现放大及冷端补偿，然后转换为与温度相关的电压信号，再经过所述ZigBee终端转换成数字信号。
4.根据权利要求3所述的基于ZigBee网络的多功能温度测量系统，其特征在于：所述处理器单元包括ZigBee协调器和协调器WiFi模块，所述ZigBee协调器与所述协调器WiFi模块通过串口模式实现数据传输；所述ZigBee协调器还包括ZigBee天线，通过所述ZigBee天线来接收所述ZigBee终端传输的温度数据；所述协调器WiFi模块还包括WiFi天线，通过所述WiFi天线将温度数据传输给所述计算机端；所述ZigBee协调器用于搭建网络，并对不同测量模块的ZigBee终端进行识别。
5.根据权利要求4所述的基于ZigBee网络的多功能温度测量系统，其特征在于：所述ZigBee终端还包括天线和定时器，两个以上的ZigBee终端分别通过天线各自传输其温度数据，并由所述ZigBee协调器通过所述ZigBee天线接收，所述ZigBee协调器判断连续两次以上未传输温度数据的ZigBee终端掉线，并将掉线的ZigBee终端反馈给所述计算机端；所述定时器用于控制所述传感器采集温度数据的时间间隔和所述ZigBee终端发送温度数据的时间间隔。
6.根据权利要求4所述的基于ZigBee网络的多功能温度测量系统，其特征在于：所述上位机包括初始化区、测量模块选择区、数据保存区、数据查看区、数据导入区、数据处理区和显示区，所述初始化区将所述上位机WiFi模块连接至所述协调器WiFi模块设定的IP地址，通过所述测量模块选择区来控制不同的测量模块以进行相应测量处的温度测量，通过所述数据保存区将接收的温度数据进行保存，通过所述数据导入区将用户设定的温度数据导入所述计算机端，通过所述数据处理区对用户设定的温度和测量的温度数据进行处理。
7.根据权利要求6所述的基于ZigBee网络的多功能温度测量系统，其特征在于：所述数据处理区通过对比用户设定的温度和测量的温度数据以显示二者的差值，并对同一测量处的两个以上的测量模块的温度数据取平均值。
8.根据权利要求1所述的基于ZigBee网络的多功能温度测量系统，其特征在于：所述第一电源先经过稳压电路得到稳定电压后，再接入所述信号调理电路。
9.根据权利要求1所述的基于ZigBee网络的多功能温度测量系统，其特征在于：所述传感器为K型热电偶，实现0-1300℃温度范围内的测量。
10.根据权利要求1所述的基于ZigBee网络的多功能温度测量系统，其特征在于：所述信号调理电路采用AD8495搭建的电路，AD8495内置仪表放大器。
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