基于ZigBee技術(shù)的倉(cāng)庫(kù)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年都有大量的新糧收獲也有部分陳糧積壓，由于儲(chǔ)存不當(dāng)造成大量的糧食浪費(fèi)，給國(guó)家和人民造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了減少損失，以往采取用人工的辦法定期對(duì)糧食進(jìn)行晾曬、通風(fēng)、噴灑藥劑等，防止因存儲(chǔ)不當(dāng)引起蟲害，但這樣做消耗人力和財(cái)力，且效果不佳，發(fā)霉變質(zhì)等現(xiàn)象仍然仔在。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工定期定點(diǎn)查看糧倉(cāng)溫度的方法，已逐漸被電子監(jiān)測(cè)溫度設(shè)備所取代。本文設(shè)計(jì)了一套糧倉(cāng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用ZigBee技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)倉(cāng)庫(kù)各點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，管理者可以在控制室隨時(shí)了解倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)的信息，使糧倉(cāng)管理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。

1 ZigBee技術(shù)的分析與研究

在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、商業(yè)監(jiān)控、汽車電子、家庭數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為小量的突發(fā)信號(hào)，即數(shù)據(jù)特征為數(shù)據(jù)量小，要求進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，如采用傳統(tǒng)的無線技術(shù)，雖然能滿足上述要求，但存在著設(shè)備的成本高、體積大和能源消耗較大等問題，針對(duì)這樣的應(yīng)用場(chǎng)合，人們希望利用具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的短距離無線通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)就是在這種需求下產(chǎn)生的。它是具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無線通信技術(shù)，其中文譯名通常稱為“紫蜂”技術(shù)。

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。在ZigBee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常由層來量化它的各個(gè)簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)。每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)。ZigBee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理(PHY)層、媒體接人控制(MAC)層、網(wǎng)絡(luò)／安全層以及應(yīng)用框架層組成，其各層之間如圖1所示。

PHY層的特征是啟動(dòng)和關(guān)閉無線收發(fā)器，能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量、信道選擇、清除信道評(píng)估，以及通過物理媒體對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收。MAC層的具體特征是信標(biāo)管理、信道接入、時(shí)隙管理、發(fā)送確認(rèn)幀、發(fā)送連接及斷開連接請(qǐng)求，且為應(yīng)用合適的安全機(jī)制提供方法。

ZigBee技術(shù)有星型和對(duì)等兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每種都有自己的組網(wǎng)特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，選用組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，盡管該方式只能組建包含較少的無線接點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)，但已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)的需要。

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一個(gè)叫作PAN主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個(gè)從設(shè)備組成，主協(xié)調(diào)器必須是一個(gè)具有完整功能的設(shè)備，從設(shè)備可以使完整功能設(shè)備，也可以是簡(jiǎn)化功能設(shè)備。當(dāng)一個(gè)具有完整功能的設(shè)備(FFD)第一次被激活后，它就會(huì)建立一個(gè)自己的網(wǎng)絡(luò)，讓自身成為一個(gè)PAN主協(xié)調(diào)器。所有星型網(wǎng)絡(luò)的操作獨(dú)立于當(dāng)前其他星型網(wǎng)絡(luò)的操作，通過選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符確保網(wǎng)絡(luò)的惟一性。一旦選定了一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符，PM主協(xié)調(diào)器就會(huì)允許其他從設(shè)備加入到它的網(wǎng)絡(luò)中，無論是具有完整功能的設(shè)備，還是簡(jiǎn)化功能的設(shè)備都可以加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，PAN主協(xié)調(diào)器是主要的耗能設(shè)備，而其他從設(shè)備均采用2節(jié)干電池供電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee芯片介紹

CC2430出自挪威Chipcon公司，是一款真正符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的片上ZigBee產(chǎn)品。該芯片延用以往CC2420芯片的結(jié)構(gòu)，在單個(gè)芯片上集成ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個(gè)8位MCU(8051)，具有32／64／128 kB可編成閃存和8 kB的RAM，還包含模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器、AES-128安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路。

CC2430還有21個(gè)可編程的I／O口引腳，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5個(gè)可使用的位。通過軟件設(shè)定一組SFR寄存器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的I／O口或作為連接ADC、計(jì)時(shí)器或USART部件的外圍設(shè)備I／O口使用。其I／O口引腳功能如下：

1～6腳(P1.2～P1.7)：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力；

8，9腳(P1.0，P1.1)：具有20 mA的驅(qū)動(dòng)能力；

11～18腳(P0.0～P0.7)：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力；

43～46，48腳(P2.0～P2.4)：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。

CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。

2.2 系統(tǒng)硬件電路

該系統(tǒng)采用星狀無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器安裝在有人值守的監(jiān)控室，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，并顯示當(dāng)前整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀況，且把收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中。RFD負(fù)責(zé)安裝在各個(gè)倉(cāng)庫(kù)中，負(fù)責(zé)采集溫度值，然后定期或有中斷時(shí)，把數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。監(jiān)控人員在控制室通過顯示器就可以對(duì)倉(cāng)庫(kù)溫度進(jìn)行監(jiān)視，無須到倉(cāng)庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器有CC2430、串口部分、天線、按鍵和顯示模塊組成。天線用的是非平衡天線，它與非平衡變壓器連接，使天線性能更好。CC2430模塊通過天線接收到信號(hào)后，通過SPI口直接輸出到液晶顯示器上。串口部分用UART模塊，UART再外接一個(gè)RS 232模塊用于連接計(jì)算機(jī)，給計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，將計(jì)算機(jī)外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用。所連接的計(jì)算機(jī)的作用是用來觀察串口輸出的數(shù)據(jù)。

RFD節(jié)點(diǎn)有CC2430、溫度傳感器和天線組成。節(jié)點(diǎn)通過溫度傳感器TC77檢測(cè)所處環(huán)境的溫度，然后通過天線發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。溫度傳感器使用TC77，它是Microchip公司生產(chǎn)的串聯(lián)可訪問數(shù)字溫度傳感器，特別適合于廉價(jià)，小尺寸的應(yīng)用中。溫度數(shù)據(jù)從內(nèi)部溫度敏感元件轉(zhuǎn)換而來，隨時(shí)都可以轉(zhuǎn)化成13位數(shù)字。

為了減少對(duì)其他設(shè)備和系統(tǒng)的干擾和影響，在保證設(shè)備能夠正常地工作的條件下，每個(gè)設(shè)備的發(fā)射功率應(yīng)盡可能地小。通常，Zigbee的發(fā)射功率在0～+10 dBm，通信距離范圍為10 m，可擴(kuò)大到約300 m，其發(fā)射功率利用設(shè)置的相應(yīng)服務(wù)原語(yǔ)進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中RFD節(jié)點(diǎn)的最小發(fā)射功率為-3 dBm。在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器端，為保證設(shè)備能正常接收到RFD節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)，其有用信號(hào)不能太大，否則，將造成接收信息堵塞，不能正常地接收。通常接收端的有用信號(hào)的最大輸入電平就是有用信號(hào)的最大功率值本設(shè)計(jì)接收機(jī)的最大輸入電平值為-20 dBnb。

3 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件分主機(jī)和分機(jī)兩部分，主機(jī)作為全功能系統(tǒng)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和人機(jī)對(duì)話，分機(jī)作為簡(jiǎn)單功能系統(tǒng)，等待主機(jī)命令，傳輸本機(jī)點(diǎn)數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)流程如圖2所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其有廣泛的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)是在歸納國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，采用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉(cāng)庫(kù)溫度的監(jiān)測(cè)，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)花費(fèi)少、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容易、通訊穩(wěn)定、無需支付網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際中有很好的應(yīng)用價(jià)值。