無線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)在冰箱性能檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用

在冰箱性能檢測中，溫度是一項主要指標(biāo)。在一條現(xiàn)代冰箱生產(chǎn)線上，通常需要幾百甚至上千個溫度探頭。傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器探頭的兩根導(dǎo)線經(jīng)切換開關(guān)矩陣連接到數(shù)據(jù)采集處理模塊上。這種方式存在諸多技術(shù)問題（如布線問題、多點(diǎn)切換誤差問題），可靠性差和零點(diǎn)漂移誤差校準(zhǔn)復(fù)雜，同時系統(tǒng)建設(shè)復(fù)雜、維護(hù)成本較高。而第二代溫度采集系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器（例如DS18B20）,并利用RS485單總線傳輸數(shù)據(jù)，精度高，抗干擾性強(qiáng)，一條數(shù)據(jù)總線上可以連接256個傳感器,從而解決了傳輸線數(shù)量繁多的問題，而且精度高、抗干擾性強(qiáng)。但是，這種結(jié)構(gòu)一旦總線發(fā)生故障,所有器件將失去與控制中心的數(shù)據(jù)交換，從而使檢測系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。此外，在滑軸線測試方式中，冰箱隨滑軸線傳送帶不停地移動，并不斷有受檢冰箱的增加或減少，因此，使用RS485總線仍有諸多不便。近年來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的大容量（ZigBee無線傳感系統(tǒng)最多可容納6萬多個節(jié)點(diǎn)）、低功耗、高可靠性、無需布線等特點(diǎn)，使其在工業(yè)監(jiān)控和檢測中得到廣泛應(yīng)用。本文以溫度數(shù)據(jù)采集為例，介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)在冰箱性能檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用。

ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、時延短、安全可靠、工作頻段靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前普遍采用的無線傳感網(wǎng)解決方案工。2009年4月，TI公司推出了第二代IEEE802.15.4/ZigBee無線單片機(jī)CC2530。本文就是以ZigBee技術(shù)為依托，以CC2530為核心，結(jié)合MAXIM半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器DS18B20來設(shè)計無線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)。

1  系統(tǒng)硬件組成

      滑軸線式冰箱性能檢測系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

在檢測線上,冰箱隨滑軸線傳送帶不停地循環(huán)移動，且冰箱不斷增加或減少，因此，采用無線檢測系統(tǒng)就能滿足動態(tài)需求，同時可以解決以往有線檢測系統(tǒng)因惡劣工作環(huán)境而引起的傳輸總線故障等問題。

由一定量的無線終端節(jié)點(diǎn)（無線溫度傳感模塊）加上協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成無線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)。每個終端節(jié)點(diǎn)由無線單片機(jī)，溫度傳感器，電源等三部分組成。圖2所示是其終端節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖。而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則不包含溫度傳感器。每個終端節(jié)點(diǎn)控制四個溫度傳感器（可以按實(shí)際需要增減個數(shù)，也可連接其它類型的傳感器），可采集冰箱內(nèi)的溫度。終端節(jié)點(diǎn)分別采集四個溫度數(shù)據(jù)并存儲在存儲區(qū),然后采用無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)并傳遞給PC機(jī)做進(jìn)一步處理。由N個節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的拓樸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.1  無線單片機(jī)模塊

無線單片機(jī)選用TI公司的CC253O芯片能夠以非常低的成本建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，可適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，因而可進(jìn)一步確保低能耗。 CC253O的RF收發(fā)器工作于2.4GHz的ISM頻段，且具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。CC253O的工作環(huán)境溫度范圍是－40 °C?＋125 °C,其外圍電路設(shè)計如圖4所示。

1.2  溫度采集模塊

       溫度采集模塊選用美國MAXIM半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器

       DS18B20,該傳感器支持“一線總線”接口，并可大大提高系統(tǒng)的抗干擾性，比較適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，測量溫度范圍為一55°C?+125°C。DS18B20的幾個特性包括：64位光刻ROM,內(nèi)置產(chǎn)品序列號，每個芯片唯一編碼；內(nèi)置EEPROM,且具備限溫報警功能；零待機(jī)功耗；無需外部器件等。DS18B20的輸出數(shù)據(jù)為兩個字節(jié)，最高達(dá)12位分辨率,也可以設(shè)置為11,10,9三種。DS18B20的外觀及寄生電源工作方式的工作電路如圖5所示。

1.3  電源模塊

本系統(tǒng)采用LTC3441高效DC/DC轉(zhuǎn)換器來設(shè)計直流穩(wěn)壓源，它在輸入電壓高于、低于或等于輸出 電壓的條件下仍能進(jìn)行工作，輸出電壓穩(wěn)定度高。其電路設(shè)計及輸出效率示意圖如圖6所示。

2  系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)工作時，終端節(jié)點(diǎn)將按照預(yù)設(shè)的工作方式（例如每30秒對四個傳感器采集一次）進(jìn)行溫度采集，之后，數(shù)據(jù)將通過無線方式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)并傳送給PC機(jī)進(jìn)行下一步的處理。

2.1  系統(tǒng)主程序

本系統(tǒng)軟件主要完成初始化、網(wǎng)絡(luò)建立、溫度讀取、數(shù)據(jù)收發(fā)和報警輸出等功能，其主程序流程如圖7所示。

2.2  系統(tǒng)組網(wǎng)

ZigBee協(xié)議規(guī)范中共定義了三種類型的節(jié)點(diǎn)，分別是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，可釆用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，但不包含路由節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組建整個網(wǎng)絡(luò)，可選擇網(wǎng)絡(luò)通信信道，以及管理網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)及退網(wǎng)。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對傳感器進(jìn)行操作，完成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令并進(jìn)行匯報。

在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)啟動并初始化后，可開始著手組建網(wǎng)絡(luò)。首先由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道掃描，并選擇一個空閑的信道，之后再設(shè)置自己的網(wǎng)絡(luò)PANID、16位網(wǎng)絡(luò)地址以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)等。這些設(shè)置完成以后，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)就初步組建完成了，之后就可以接受其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)節(jié)點(diǎn)A向協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)申請后，協(xié)調(diào)器確認(rèn)自己是否有能力接受該節(jié)點(diǎn)，如果能接受該節(jié)點(diǎn)，就為它隨機(jī)分配一個網(wǎng)絡(luò)中唯一的16位網(wǎng)絡(luò)地址，并發(fā)出入網(wǎng)應(yīng)答，節(jié)點(diǎn)A收到應(yīng)答就標(biāo)志著成功加入網(wǎng)絡(luò)。已入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)A離開網(wǎng)絡(luò)時首先向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送解除網(wǎng)絡(luò)關(guān)系請求，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A收到解除應(yīng)答后就成功離開網(wǎng)絡(luò)。

2.3  溫度傳感器DS18B20的操作流程

因為DS18B20的硬件比較簡單，所以，每次操作DS18B20都必須進(jìn)行復(fù)雜且精準(zhǔn)的時序操作，否則，DS18B20將無法做出回應(yīng)。訪問DS18B20的執(zhí)行序列主要分成三步：包括初始化、ROM操作命令和功能命令。當(dāng)DS18B20采用寄生電源方式且總線上有多個DS18B20時，總線控制器即可啟動溫度轉(zhuǎn)換，然后讀取溫度，其操作步驟如表1所列。

DS18B20每次讀取溫度值后都會拿溫度數(shù)據(jù)與用戶預(yù)置在溫度報警觸發(fā)器TH與TL中的值進(jìn)行比較。若大于TH或小于TL,則建立報警標(biāo)志位并輸出報警信號。用戶處理完畢后，溫度檢測正常，報警信號自動消除。

DS18B20的數(shù)據(jù)輸出與溫度之間的對應(yīng)關(guān)系如表2所列。

2.4  數(shù)據(jù)收發(fā)

DS18B20釆集溫度后，將以整形數(shù)據(jù)形式傳送給CC2530并存儲在其數(shù)據(jù)存儲區(qū)。CC2530確認(rèn)數(shù)據(jù)接收完畢后，可配置收發(fā)寄存器并將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，同時由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)做下一步的處理。

PC機(jī)可以通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)同時對全部或者部分終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行間接控制，例如改變溫度采集頻率或者進(jìn)行即時更新等。

3  結(jié)語

ZigBee無線傳感網(wǎng)分布密度大，節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，穩(wěn)定可靠。數(shù)字式溫度傳感器DS18B20集溫度測量、A/D轉(zhuǎn)換與一體,體積小，具有一線總線結(jié)構(gòu)，數(shù)字輸出，而且溫度讀取簡單、直觀，精確度高，開發(fā)過程簡單。以此為基礎(chǔ)設(shè)計的無線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)硬件簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高,可同時監(jiān)控數(shù)千至上萬臺冰箱，因而系統(tǒng)一次性建設(shè)成本和后期維護(hù)成本較低，非常適合大規(guī)模工業(yè)檢測。實(shí)際應(yīng)用中，還可根據(jù)需求將溫度傳感器和其他傳感器一同掛接在無線單片機(jī)上組成多指標(biāo)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，其方法與此文講到的方法類似,本文不再詳細(xì)闡述。實(shí)際使用證明，該設(shè)計具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值和推廣價值。