引 言

傳統的溫度控制系統通常采用有線傳輸信號的方式，布線費用較高，維修不便。ZigBee 技術作為一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線通信技術，得到了廣泛的應用；GPRS是在現有的GSM 系統上發展出來的一種新的分組數據承載業務，特別適用于間斷的、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸，這一特點正適合大多數移動互聯的應用。將ZigBee和GPRS引入溫度控制系統中，采用兩種無線通信方式相結合的方式實現信息的傳輸，將有助于解決溫度控制系統信息化、自動化程度相對滯后的問題。

1 ZigBee技術及GPRS技術簡介

1.1 ZigBee技術簡介

ZigBee是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線通信技術，它依據IEEE802.15.4 標準，定義了不同廠商生產的設備相互兼容的內容，它可以將若干個微小的傳感器組織起來通信，這些傳感器只需要很小的能量就可以通過多跳的方式傳送數據。已經在許多領域被廣泛使用，如溫度、濕度、光照及氣體濃度等小數據量信息的采集與傳輸。

ZigBee的主要特點：

（1 ）低功耗

這是ZigBee技術的一個顯著優點，由于在收發信息時功耗比較低，在MAC 層采用休眠機制，信道接入時延短，ZigBee 節點十分省電。節點的電池使用壽命可達半年到兩年。

（2 ）低成本

由于ZigBee協議棧相對藍牙、Wi-Fi 簡單，降低了對通信控制器件的要求，可以降低器件成本，加上ZigBee 協議免專利費，可以降低軟件的使用費用。低成本也是ZigBee 一個顯著優點。

（3 ）網絡容量大

一個星型結構的ZigBee 網絡最多可以容納254 個從設備和一個主設備，組網十分靈活。

（4 ）安全可靠

在MAC 層采用安全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認消息，提供了基于循環冗余校驗（CRC）的數據包安全檢查功能，支持鑒權和認證，系統安全可靠。

（5 ）時延小

ZigBee 通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的設備搜索時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。

（6 ）低速率

ZigBee不同的工作頻段，數據傳輸速率都比較低。

868MHz 頻段數據傳輸速率為20kbps，915MHz 頻段數據傳輸速率為40kbps2.4GHz 頻段數據傳輸速率為250kbps。

1.2 GPRS技術簡介

GPRS 是通用分組無線業務（General Packet RadioService）的英文簡稱，是一種分組交換系統。GPRS 邏輯結構如圖1 所示。GPRS 的基本功能就是在移動終端和標準數據通信網的路由器之間傳遞分組業務。GPRS 網絡結構基于GSM 系統實現，話音部分仍采用原來GSM 的基本處理單元，而對于數據部分則新增加了一些數據處理單元和接口。為了實現數據承載，GPRS 系統引入了幾種新的網絡單元，如分組處理單元PCU、GPRS服務支持單元SGSN、GPRS網關支持單元GGSN，以及其它輔助進行數據業務管理和應用的單元如DNS 和DHCP 服務器、網絡時間協議服務器NTP，計費網關CG等。

圖1 GPRS邏輯結構

2 系統總體方案設計

系統采用模塊化的設計思路。整個系統的設計目標是高精度、低成本、低功耗、體積小、安全可靠及操作簡單。

本系統使用超低功耗LPC1114 M0 ARM7 作為核心控制器件，使用DS18B20 傳感器采集溫度信息，將溫度信息轉化為數字信息，經過ZigBee 無線傳感網路送至核心控制器件LPC1114 M0，核心控制器件對數據進行分析處理，根據處理結果對執行單元進行控制，如果水溫超過標準值，啟動降溫模塊；低于標準值，啟動加熱模塊；如果溫度長時間處于標準值之下或標準值之下，超過時間閾值（可以根據經驗設置），啟動報警模塊，并通過GPRS，將報警信息發送至用戶終端，以便做出及時處理。系統采用12864 作為顯示模塊，對溫度信息、報警信息及執行信息進行實時顯示。系統總體結構如圖2 所示。

圖2 系統總體結構

3 硬件設計

3.1 核心控制器件

LPC1114是基于ARM Coter-M0的控制器，具有高達32KB的Flash程序存儲器和8KB靜態RAM存儲器，一個FAST-modePlus 的C 接口，CPU 的工作頻率最高可達50MHz，晶體振蕩器的工作范圍為1MHz-25MHz，具有處理速度快、價格低廉的特點，可用于高集成度、低功耗的嵌入式系統，被廣泛應用于電子行業、通信產品、家庭自動化產品、便攜式監視器等方面。

3.2 數字溫度傳感器：DS18B20

DS18B20 具有體積小、功耗低、抗干擾性強和適應性好的特點，分辨率最高可達12位，可檢測溫度范圍為–55°C～+125°C，精度可達土0.5°C，最大工作周期為750 毫秒，可以提供9 位溫度讀數指示。采用單總線數據通信方式，從核心控制器件LPC1114 到DS18B20 僅需一條連線就可以實現讀寫操作。

3.3 無線模塊CC2430

CC2430 延用了CC24320 的架構，是一款真正符合IEEE802.15.4標準的片上Zigbee產品。在單個CC2430芯片上整合了ZigBee 射頻前端﹑內存和微控制器。它使用8KB的MCU，具有128KB 可編程內存和8KB 的RAM，還包括模數轉換器（A/D）﹑定時器﹑AES128 協同處理器、看門狗定時器，晶振休眠定時器，上電復位，掉電檢測電路和21 個I/O 口。

3.4 液晶顯示12864

液晶顯示12864 用ST7920 作為控制器和驅動器，可以提供33 路com 輸出和64 路seg 輸出。ST7920 驅動器可以與ST7921 配合使用，最多可輸出256 ×32 液晶點陣。

4 軟件設計

系統使用TKStudio 開發軟件，編寫底層驅動程序和應用層函數。系統中信號的采集、變換、處理、控制信號發送與接收都是用C 語言進行編程。

圖3、圖4 和圖4 分別為LPC1114 主程序流程圖、溫度傳感器節點流程圖和ZigBee 網關程序流程圖。

圖3 LPC1114主程序流程圖

圖4 溫度傳感器節點流程圖

圖5 ZigBee網關程序流程圖

5 結束語

本系統采用采用ZigBee 和GPRS 無線通信方式相結合的方式設計溫度控制系統。DS18B20 芯片可以很好地采集溫度信息；ZigBee 無線傳輸網絡可以實現主控模塊與溫度信息采集節點的數據傳輸，外圍擴展功能模塊可以實現數據顯示，便于調試和維護；報警信息可以通過GPRS 網絡傳送到用戶終端，實現對溫度信息實時監控的目的，無需專門布設通信線路，可以有效降低成本。通過測試表明：系統設計達到了設計目標的要求。測試精度可達土0 . 5 °C ，可以廣泛應用于民用及工業控制等領域。