采用ZigBee和GPRS无线通信方式相结合的温度控制系统设计
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。
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。
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。
图3 lpc1114主程序流程图
图4 温度传感器节点流程图
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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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。
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。
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
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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。
图3 lpc1114主程序流程图
图4 温度传感器节点流程图
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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