基于ZigBee的现场安全温度在线监控系统

2 系统硬件设计
2．1 应用芯片简介
Freescale公司推出的MCl3213是一款可以搭建符合IEEE802．15．4标准的2．4 GHz低功耗收发器平台的集成MCU。它通过内部SPI连接RF和HCS08，具有低功耗、高集成度等优点，同时拥有丰富的外部接口资源。
LM75A是具有高速I2C总线接口的集成数字温度传感器，内部Temp寄存器存放一个11位二进制数的补码，用来在-55～+125℃的温度范围内实现0．125℃的精度。
FT232BL是一款USB接口转换芯片，实现USB到串行UART接口的转换，有多种电路设计方式，配合使用EEPROM可存储USB VID、PID等产品描述信息。
LCDl602是一款内嵌驱动及字符的液晶显示模块。由于MCl3213的I／O数目的限制，其采用4线数据的连接方式，将8位数据分两次各4位地间接传送。
SP3220E为TTL转RS-232的电平转换芯片。
2．2 硬件电路设计
图3为硬件电路的逻辑结构图。

针对系统的低功耗及低成本，根据所要实现的功能在图3的基础上进行筛选。ZED、ZR、ZC分别采用不同的设计电路，其筛选组合的方式如表1所列。

3 系统软件设计
3．1 软件设计思想
为了实现温度监控与空间定位的功能，系统网络中的各类设备须相互通信、协调合作。软件设计思想如图4所示。ZED利用携带的LM75A周期性地检测生产现场的温度，然后在LCDl602上实时显示温度信息以供现场操作，并向ZR和ZC发送温度数据；ZR主要是度量接收ZED数据的RSSI／LQI值，并发送给ZC以达到对ZED空间定位的目的；ZC接收来自ZED及ZR的数据，通过USB／RS-232接口与上位机VB程序及Internet，网络通信，利用上位机监控软件或远程网络，集中在线对整个ZigBee网络的协调和ZED生产现场进行安全温度的监控。

3．2 温度检测程序的设计
LM75A内部A／D每隔100 ms执行一次温度一数字的转换，并将转换得到的11位二进制数的补码数据存放进Temp寄存器中，从而实现0．125 ℃的温度精度。系统需要注意读取LM75A温度数据的频率，并且应将读取Temp中的数据转换成实际真实的温度值。
若Temp数据的MSB位D10=O，则温度是一个正数：
温度=(Temp中的数据)×O．125℃ (1)
若Temp数据的MSB位D10=1，则温度是一个负数：
温度=(Temp中的数据二进制补码)×O．125℃ (2)
为了兼顾现场显示与远程监控，ZED依据式(1)、(2)利用C语言的移位等命令获得实际温度值，并在LCDl602上实时显示(当现场温度超过设定的安全范围时，蜂鸣器报警)，而直接读取Temp的两个字节发送至ZigBee网络中。
3．3 空间定位的实际数学模型
为了获得LQI值与距离d之间的数学关系，系统需要对不同的d测量大量接收数据的LQI值。以一片开阔的篮球场作为实验基地，利用卷尺等工具在0～64 m范围内测量LQI值。在相同的d距离下连续测量不同方向的60组数据，并将10个最值滤波舍去，求平均值作为该距离d的LQI。然后，利用Matlab软件对各距离下的LQI-d数值进行一个分段对数函数的曲线拟合，求得实际数学模型。拟合曲线如图5所示。

由于实测LQI值易受干扰，波动性较大不稳定，因此对ZED空间定位时在一个周期内连续测量24组数据，然后滤去4个最值求取平均值作为定位的LQI。为了提高系统的速度和稳定性，定位应用程序根据式(3)在上位机中采用VB语言进行编写，从而减轻了ZigBee网络的数据处理负担。