基于ZigBee技術(shù)的倉庫溫度監測系統

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統的人工定期定點(diǎn)查看糧倉溫度的方法，已逐漸被電子監測溫度設備所取代。本文設計了一套糧倉溫度監測系統。采用ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )對倉庫各點(diǎn)溫度進(jìn)行監測，管理者可以在控制室隨時(shí)了解倉庫現場(chǎng)的信息，使糧倉管理實(shí)現自動(dòng)化、智能化。

1 ZigBee技術(shù)的分析與研究

在工業(yè)控制、環(huán)境監測、商業(yè)監控、汽車(chē)電子、家庭數字控制網(wǎng)絡(luò )等應用中，系統所傳輸的數據通常為小量的突發(fā)信號，即數據特征為數據量小，要求進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，如采用傳統的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，雖然能滿(mǎn)足上述要求，但存在著(zhù)設備的成本高、體積大和能源消耗較大等問(wèn)題，針對這樣的應用場(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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其中文譯名通常稱(chēng)為“紫蜂”技術(shù)。

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設備中，同時(shí)支持地理定位功能。在ZigBee技術(shù)中，其體系結構通常由層來(lái)量化它的各個(gè)簡(jiǎn)化標準。每一層負責完成所規定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。各層之間的接口通過(guò)所定義的邏輯鏈路來(lái)提供服務(wù)。ZigBee技術(shù)的體系結構主要由物理(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(wú)線(xiàn)收發(fā)器，能量檢測、鏈路質(zhì)量、信道選擇、清除信道評估，以及通過(guò)物理媒體對數據包進(jìn)行發(fā)送和接收。MAC層的具體特征是信標管理、信道接入、時(shí)隙管理、發(fā)送確認幀、發(fā)送連接及斷開(kāi)連接請求，且為應用合適的安全機制提供方法。

ZigBee技術(shù)有星型和對等兩種拓撲結構，每種都有自己的組網(wǎng)特點(diǎn)。本設計根據系統特點(diǎn)，選用組網(wǎng)結構簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò )結構，盡管該方式只能組建包含較少的無(wú)線(xiàn)接點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，但已經(jīng)能夠滿(mǎn)足系統的需要。

星型拓撲結構有一個(gè)叫作PAN主協(xié)調器的中央控制器和多個(gè)從設備組成，主協(xié)調器必須是一個(gè)具有完整功能的設備，從設備可以使完整功能設備，也可以是簡(jiǎn)化功能設備。當一個(gè)具有完整功能的設備(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)調器。所有星型網(wǎng)絡(luò )的操作獨立于當前其他星型網(wǎng)絡(luò )的操作，通過(guò)選擇一個(gè)PAN標識符確保網(wǎng)絡(luò )的惟一性。一旦選定了一個(gè)PAN標識符，PM主協(xié)調器就會(huì )允許其他從設備加入到它的網(wǎng)絡(luò )中，無(wú)論是具有完整功能的設備，還是簡(jiǎn)化功能的設備都可以加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò )中。在星形拓撲結構中，PAN主協(xié)調器是主要的耗能設備，而其他從設備均采用2節干電池供電。

2 系統硬件設計

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標準的片上ZigBee產(chǎn)品。該芯片延用以往CC2420芯片的結構，在單個(gè)芯片上集成ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。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／數轉換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器、AES-128安全協(xié)處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復位電路、掉電檢測電路。

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(guò)軟件設定一組SFR寄存器的位和字節，可使這些引腳作為通常的I／O口或作為連接ADC、計時(shí)器或USART部件的外圍設備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輸出驅動(dòng)能力；

8，9腳(P1.0，P1.1)：具有20 mA的驅動(dòng)能力；

11～18腳(P0.0～P0.7)：具有4 mA輸出驅動(dòng)能力；

43～46，48腳(P2.0～P2.4)：具有4 mA輸出驅動(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(cháng)的應用。

2.2 系統硬件電路

該系統采用星狀無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統，系統只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器和若干個(gè)RFD節點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器安裝在有人值守的監控室，負責建立網(wǎng)絡(luò )和管理網(wǎng)絡(luò )，并顯示當前整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的狀況，且把收到的數據發(fā)送到計算機中。RFD負責安裝在各個(gè)倉庫中，負責采集溫度值，然后定期或有中斷時(shí)，把數據發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。監控人員在控制室通過(guò)顯示器就可以對倉庫溫度進(jìn)行監視，無(wú)須到倉庫現場(chǎng)。

網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器有CC2430、串口部分、天線(xiàn)、按鍵和顯示模塊組成。天線(xiàn)用的是非平衡天線(xiàn)，它與非平衡變壓器連接，使天線(xiàn)性能更好。CC2430模塊通過(guò)天線(xiàn)接收到信號后，通過(guò)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模塊用于連接計算機，給計算機傳輸數據，將計算機外部來(lái)的串行數據轉換為字節，供計算機內部使用并行數據的器件使用。所連接的計算機的作用是用來(lái)觀(guān)察串口輸出的數據。

RFD節點(diǎn)有CC2430、溫度傳感器和天線(xiàn)組成。節點(diǎn)通過(guò)溫度傳感器TC77檢測所處環(huán)境的溫度，然后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。溫度傳感器使用TC77，它是Microchip公司生產(chǎn)的串聯(lián)可訪(fǎng)問(wèn)數字溫度傳感器，特別適合于廉價(jià)，小尺寸的應用中。溫度數據從內部溫度敏感元件轉換而來(lái)，隨時(shí)都可以轉化成13位數字。

為了減少對其他設備和系統的干擾和影響，在保證設備能夠正常地工作的條件下，每個(gè)設備的發(fā)射功率應盡可能地小。通常，Zigbee的發(fā)射功率在0～+10 dBm，通信距離范圍為10 m，可擴大到約300 m，其發(fā)射功率利用設置的相應服務(wù)原語(yǔ)進(jìn)行控制。本設計中RFD節點(diǎn)的最小發(fā)射功率為-3 dBm。在網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器端，為保證設備能正常接收到RFD節點(diǎn)發(fā)射的信號，其有用信號不能太大，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的最大輸入電平就是有用信號的最大功率值本設計接收機的最大輸入電平值為-20 dBnb。

3 系統軟件流程

系統軟件分主機和分機兩部分，主機作為全功能系統負責網(wǎng)絡(luò )協(xié)調和人機對話(huà)，分機作為簡(jiǎn)單功能系統，等待主機命令，傳輸本機點(diǎn)數據。其系統流程如圖2所示。

4 結 語(yǔ)

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，其有廣泛的應用前景。該系統是在歸納國內外研究成果的基礎上，采用ZigBee技術(shù)構建的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現對倉庫溫度的監測，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、系統花費少、擴展網(wǎng)絡(luò )容易、通訊穩定、無(wú)需支付網(wǎng)絡(luò )費用等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際中有很好的應用價(jià)值。