基于ZigBee的SMT廠(chǎng)房溫濕度監控系統設計

摘要：ZigBee是一種能滿(mǎn)足低功耗、低復雜度、低成本的新的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，文中針對ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)和SMT廠(chǎng)房的特殊的環(huán)境要求，提出了一種基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的溫濕度監控系統。本系統以射頻芯片CC2530為核心，搭建了系統網(wǎng)絡(luò )的硬件平臺，并在ZigBee2007協(xié)議?；A上進(jìn)行了系統軟件流程設計。經(jīng)過(guò)試驗，系統組網(wǎng)靈活，控制精度較高，對廠(chǎng)房的溫濕度智能化、統一化的管理有著(zhù)重要的實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞：ZigBee;CC2530;SMT;無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng);監控

電子電路表面組裝技術(shù)(SMT)是一種將片式組裝元器件安裝在印制電路板的表面，通過(guò)回流焊等方法加以焊接組裝的電路裝連技術(shù)，是目前電子組裝行業(yè)里最流行的一種技術(shù)和工藝。隨著(zhù)電子技術(shù)的進(jìn)步，電子元器件逐漸向小型化、精密化、多功能方向發(fā)展，元器件的精密程度的提高對電子組裝的環(huán)境要求的越來(lái)越苛刻。生產(chǎn)環(huán)境不合適的溫度和濕度不但會(huì )對電子元器件的組裝造成危害，而且還會(huì )影響SMt機器設備的正常運行，所以，對SMT廠(chǎng)房溫度和濕度自動(dòng)化的實(shí)時(shí)而準確的監測和控制，使廠(chǎng)房實(shí)時(shí)處在一個(gè)良好的生產(chǎn)環(huán)境，對設備運行和SMT產(chǎn)品質(zhì)量保障都有著(zhù)重大的現實(shí)意義。

傳統的SMT廠(chǎng)房的溫濕度監測系統常常采用有線(xiàn)方式，其優(yōu)點(diǎn)是可靠穩定，明顯的缺點(diǎn)是布線(xiàn)困難，組網(wǎng)不靈活，增加節點(diǎn)硬軟件都要重新配置，而且可移動(dòng)性差。針對上述傳統有線(xiàn)的溫濕度監控的缺點(diǎn)和不足，本文設計了一種融合了ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和傳感技術(shù)的溫濕度監控系統則很好解決了這些問(wèn)題，該系統安裝布置的靈活性高、安裝費用低廉、對廠(chǎng)房的監控系統進(jìn)行重新布置時(shí)可移動(dòng)性強。系統網(wǎng)絡(luò )的自組織能力，大大增加了系統數據傳輸的可靠性，這些特點(diǎn)非常適合廠(chǎng)房多節點(diǎn)溫濕度環(huán)境監測和控制的需求。

1 系統的原理及構成

ZigBee作為一種基于IEEE 802.15.4標準的新型無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其主要特點(diǎn)是近距離、低復雜度、低功耗、低成本、協(xié)議簡(jiǎn)單，和傳感器網(wǎng)絡(luò )融合就組建了ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )具有以數據為中心、自組織、可快速部署等諸多優(yōu)點(diǎn)。

ZigBee協(xié)議層從底層到頂層分別為物理層(PHY)、媒體控制層(MLAC)、網(wǎng)絡(luò )層(NWK)、應用層(APL)。其中MAC和PHY兩層協(xié)議由IEEE802. 15.4標準定義，NWK和APL兩層則由ZigBee聯(lián)盟定義。ZigBee網(wǎng)絡(luò )支持多種拓撲結構，比如星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀型結構，ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通常按照功能分為三大類(lèi)：協(xié)調器節點(diǎn)、路由節點(diǎn)和終端節點(diǎn)。其中協(xié)調器節點(diǎn)對于每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò )具有唯一性，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的核心，其他的路由節點(diǎn)和終端節點(diǎn)作為子節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )。

針對SMT廠(chǎng)房特點(diǎn)，需要監測的區域通?？梢苑譃椋荷a(chǎn)區、器件區和低溫存儲區(冰箱)三部分。分別對應的不同的溫濕度要求，詳細信息如表1所示。

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由于該系統面向SMT小型廠(chǎng)房設計，所以系統組網(wǎng)相對簡(jiǎn)單，數據的傳輸量也不大，因此采用只含有中心節點(diǎn)(協(xié)調器)和終端節點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構就能夠滿(mǎn)足本系統的設計，完成數據和信息的正常通信。分布于上述監測區域的無(wú)線(xiàn)溫濕度傳感器節點(diǎn)，分為無(wú)線(xiàn)采集節點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)控制節點(diǎn)兩類(lèi)，采集節點(diǎn)首先進(jìn)行溫度和濕度數據的采集、初步處理，然后通過(guò)ZigBee協(xié)議將從傳感器節點(diǎn)接收的數據發(fā)送到協(xié)調器節點(diǎn);協(xié)調器根據采集結果和系統設定值進(jìn)行比較決定是啟動(dòng)無(wú)線(xiàn)控制節點(diǎn)來(lái)控制各種溫濕度調節設備的運行狀態(tài)，達到調節廠(chǎng)房中溫濕度的目的;協(xié)調器節點(diǎn)本身還負責建立ZigBee網(wǎng)絡(luò )，并發(fā)送和接收指令，通過(guò)RS232串口與監測中心PC機進(jìn)行數據通信;監測中心PC機負責集中顯示廠(chǎng)房各個(gè)監測區域的每個(gè)傳感器節點(diǎn)采集到的溫濕度信息，整個(gè)SMT廠(chǎng)房的無(wú)線(xiàn)監控系統的結構如圖1所示。

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2 系統硬件設計

2.1 網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器設計

網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器作為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的核心，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)采集節點(diǎn)的數據的收發(fā)和處理，并且能夠通過(guò)并通過(guò)無(wú)線(xiàn)控制節點(diǎn)控制溫濕度調節設備。協(xié)調器借助于RS232串口通信將數據發(fā)送到監測中心的PC機，實(shí)現整個(gè)系統監測信息的可視性。本系統的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器由下列部分組成：CC2530通信模塊、天線(xiàn)模塊、LCD液晶顯示模塊和電源模塊等構成。CC2530通信模塊作為協(xié)調器的核心部分，承擔著(zhù)接收和存儲傳感器采集節點(diǎn)發(fā)來(lái)數據的任務(wù)，并且能夠對數據進(jìn)行分析處理，發(fā)送網(wǎng)絡(luò )指令給無(wú)線(xiàn)控制節點(diǎn)，LCD顯示網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)工作狀態(tài);電源模塊提供工作電壓是3.3 V，為了確保協(xié)調器以及系統工作的穩定性，采用3.3 V穩壓電源對核心芯片供電。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器硬件結構圖如圖2所示。

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2.2 無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)設計

系統的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)由無(wú)線(xiàn)采集節點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)控制節點(diǎn)兩大類(lèi)，是本系統網(wǎng)絡(luò )的基本結構單元，二者在系統中扮演的角色不同，結構也不相同。無(wú)線(xiàn)溫濕度采集節點(diǎn)由下列部分組成：數字式溫濕度傳感器SHT15和CC2530無(wú)線(xiàn)單片機，該單片機內部集成了2.4 GHz的射頻收發(fā)器，并且符合IEEE802.15.4標準。傳感器SHT15是通過(guò)I2C總線(xiàn)直接與CC2530單片機接口相連，其中I2C總線(xiàn)是由CC2530單片機I/O接口模擬而成，所以在設計上并沒(méi)有額外增加專(zhuān)門(mén)的I2C總線(xiàn)控制器，在一定程度上減少了硬件成本。當檢測到溫濕度信息時(shí)，CC2530對數據進(jìn)行初步處理，為傳輸數據做好準備。然后通過(guò)LCD顯示出來(lái)并通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送給中心節點(diǎn)。CC2530模塊存儲和處理傳來(lái)的數據，并與協(xié)調器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，電源模塊采用體積小、容量大的鋰電池供電。傳感器采集節點(diǎn)結構如圖3所示。

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無(wú)線(xiàn)控制節點(diǎn)結構由以下幾個(gè)部分構成：CC2530無(wú)線(xiàn)通信模塊、D/A數模轉換器、功率放大器和電磁繼電器等構成。負責與協(xié)調器之間通信，且能夠執行協(xié)調器的發(fā)送的命令，控制節點(diǎn)被啟動(dòng)后，節點(diǎn)中的CC2530芯片接收相應的協(xié)調器命令進(jìn)行PID運算和數字輸出，然后通過(guò)D/A數模轉換器，將數字信號轉化為模擬信號，再通過(guò)功率放放大器經(jīng)過(guò)信號放大，來(lái)控制電磁繼電器工作狀態(tài)，從而實(shí)現調節各種溫濕度調節設備，以便及時(shí)調整廠(chǎng)房中整體或者局部的溫濕度狀態(tài)。無(wú)線(xiàn)控制節點(diǎn)結構如圖4所示。

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本系統控制部分的繼電器驅動(dòng)電路如圖5所示，單片機輸出的高低電平給驅動(dòng)電路提供控制信號，通過(guò)驅動(dòng)電路控制電磁繼電器中的電磁線(xiàn)圈的閉合和斷開(kāi)。當單片機輸出高電平信號到三極管的基極，三極管處于飽和狀態(tài)導通狀態(tài)，此時(shí)繼電器中的線(xiàn)圈閉合，外電路被接通，與之接通的機器設備運行;當單片機信號輸出低電平，繼電器線(xiàn)圈斷開(kāi)，機器設備停止運行。

2.2.1 CC2530芯片

TI公司推出的Zigbee芯片CC2530，工作在2.4 GHz頻段，符合IEEE 802.15.4規范，片內集成業(yè)界標準的增強型8051內核處理器和RF收發(fā)器，支持代碼預取功能;256 kFlash大容量的程序存儲器，支持Zigbee2007pro協(xié)議，擁有8k數據存儲器。片內還集成5通道DMA;MAC定時(shí)器;1個(gè)16位、2個(gè)8位普通定時(shí)器;電源管理與片內溫度傳感器;32 kHz休眠定時(shí)器;看門(mén)狗;2個(gè)強大的USART接口，支持多種串行協(xié)議12位A/D轉換器等智能外設。該芯片供電電壓區間2～3.6 V，具有3種電源管理模式：主動(dòng)模式、休眠模式和中斷模式，3種模式對應的電流強度分別為0.2 mA、1μA和0.4μA，因此，該芯片具有超低功耗的突出特點(diǎn)，傳輸距離大于75 m，最高數據傳輸速度率達到250 kbps。另外，CC2530從休眠模式轉換到主動(dòng)模式時(shí)間極短、響應速度極快，這些特性使得該芯片非常適合在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的應用。

2.2.2 溫濕度傳感器SHT15

SHT15是瑞士SENSIRION公司推出的一款高度集成的數字式的溫濕度傳感器，具有全量程標定的數字輸出，另外，采集數據信息經(jīng)過(guò)內部校準之后輸出，大大減少了誤差，提高了信息采集的精確度，該傳感器含有一個(gè)14位的A/D轉換器，能實(shí)現溫度最高14bit和濕度12bit的測量;一個(gè)串行接口電路。SHT15的供電電壓為2.4～5.5 V，平均功耗溫度測量范圍：-40～+123.8℃，濕度測量范圍：0～100%RH，溫度測

量精度：±0.3℃，濕度測量精度：±2.0%RH。

SHT15數字式傳感器直接與CC2530通過(guò)I2C串行總線(xiàn)相連，具有循環(huán)冗余碼校驗(CRC)數據傳輸校驗的功能，這些特點(diǎn)增加了對傳感器接口開(kāi)發(fā)的方便性與可靠性。該傳感器具有響應時(shí)間快、精度高、抗干擾能力強、功耗低等特點(diǎn)，當SHT15測量和通信完成后，會(huì )自動(dòng)使能進(jìn)入睡眠模式。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計目的是能夠很好的結合硬件設備實(shí)現本系統的功能。本系統利用的協(xié)議棧是TI公司推出的與CC2530芯片配套的Z—STACK 2007版本。本系統需要進(jìn)行三部分的軟件流程設計，分別是傳感器采集節點(diǎn)、協(xié)調器和無(wú)線(xiàn)控制節點(diǎn)的軟件流程設計。

協(xié)調器主要負責網(wǎng)絡(luò )的管理、匯聚采集的數據等，傳感器測控數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)的控制節點(diǎn)來(lái)控制是否啟動(dòng)變頻調速控制空調、加濕機、除濕機和風(fēng)機等機器設備。本系統采用星形拓撲網(wǎng)絡(luò )實(shí)現通信，網(wǎng)絡(luò )配置一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器和多個(gè)傳感器節點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò )中所有的傳感器節點(diǎn)只與協(xié)調器通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò )由協(xié)調器發(fā)起并且建立。協(xié)調器首先進(jìn)行信道掃描，采用一個(gè)其空閑的信道，規定一些相應的網(wǎng)絡(luò )參數，協(xié)調器啟動(dòng)后，時(shí)刻監聽(tīng)空中無(wú)線(xiàn)信號，如果終端節點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò )時(shí)，發(fā)出申請加入信號，并提供正確的認證信息，即可加入網(wǎng)絡(luò );如果監聽(tīng)到系統傳感器采集節點(diǎn)發(fā)送的溫濕度數據信息，協(xié)調器接收信息，并與系統設定值進(jìn)行比較，如果溫度和濕度超出了規定的上下限，協(xié)調器及時(shí)發(fā)出相應的命令給無(wú)線(xiàn)控制節點(diǎn)。協(xié)調器的軟件流程如圖6所示。

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傳感器采集節點(diǎn)負責采集監測區域的溫度和濕度數據，并發(fā)送給協(xié)調器，而且還能夠接收來(lái)自協(xié)調器的相關(guān)命令。節點(diǎn)上電后首先進(jìn)行硬件和協(xié)議棧的初始化，搜索鄰近的網(wǎng)絡(luò )，并且發(fā)送申請加入信息，等待網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器確認，信息確認通過(guò)后，節點(diǎn)即可成功加入網(wǎng)絡(luò )，然后進(jìn)入休眠的節電模式。當有數據傳輸請求時(shí)，節點(diǎn)立即由休眠模式進(jìn)入工作模式，進(jìn)行溫濕度信息采集、預處理并發(fā)送。傳感器采集節點(diǎn)軟件流程圖如圖7所示。

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控制節點(diǎn)在整個(gè)系統中的角色是與網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器進(jìn)行通信，接收并執行相應協(xié)調器命令，控制節點(diǎn)啟動(dòng)后，節點(diǎn)核心芯片進(jìn)行PID運算和數字信號輸出，然后通過(guò)一系列的信號轉化，然后控制電磁繼電器工作狀態(tài)，從而實(shí)現調節如變頻調速器、風(fēng)機、加濕器和除濕器等設備。軟件流程圖如圖8所示。

系統上位機的系統監控軟件采用Visual Studio 2010平臺、C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，該軟件連接Access數據庫來(lái)實(shí)現存儲傳感器節點(diǎn)采集到的溫濕度數據，另外，該軟件還對系統的整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)信息進(jìn)行監控等等。軟件可以對采集的時(shí)間間隔、采集的監測區域進(jìn)行設置。串口信息配置如下：波特率為19 200，數據比特8bit，無(wú)奇偶校檢位。

4 實(shí)驗結果和分析

為了驗證系統的實(shí)際應用性能，選取一塊監控區域作為實(shí)驗對象。首先，將該系統安置于SMT廠(chǎng)房的一個(gè)無(wú)塵密閉生產(chǎn)車(chē)間中進(jìn)行試驗。在試驗過(guò)程中，開(kāi)啟車(chē)間的空氣循環(huán)機，促進(jìn)空氣的流通和循環(huán)，盡量使得車(chē)間內空氣的溫度和濕度均勻分布。無(wú)線(xiàn)溫濕度采集節點(diǎn)均勻的分布于車(chē)間的不同位置，避免采集節點(diǎn)集中放置帶來(lái)的局部誤差，以便能夠準確的監測溫濕度分布的信息。系統的控制節點(diǎn)連接的有變頻調速器的空調可以調節溫度，有增濕機和除濕機，可以進(jìn)行濕度調節。系統全部安裝完畢，開(kāi)始試驗。系統上電初始化，網(wǎng)絡(luò )建立，系統開(kāi)始工作，我們通過(guò)設定一系列不同的的溫度標準和濕度標準，等待系統的調控工作完成后，將此時(shí)車(chē)間實(shí)際的溫濕度信息記錄下來(lái)，并且和設定的標準值進(jìn)行比較，結果如表2所示。

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從上表結果我們可以看出，在經(jīng)過(guò)7組試驗和測試，該系統實(shí)驗的穩態(tài)時(shí)的溫度與設定溫度值的誤差控制在±2.0℃以?xún)?濕度的控制誤差在±3.5%RH以?xún)?。這樣的控制精度達到了SMT生產(chǎn)車(chē)間的對溫濕度的要求。精度誤差造的原因主要是在車(chē)間空氣中的溫度和濕度分布不均勻，造成不同位置的采集節點(diǎn)收集的數據有差異，從而造成中心節點(diǎn)分析數據時(shí)存在誤差，另外，車(chē)間不可能完全密閉，與外界的絕熱能力有限，無(wú)法杜絕空氣和熱量與外界進(jìn)行交換，從而在一定程度上也影響了系統的穩態(tài)。

5 結論

本系統利用較高精度的數字式溫濕度傳感器SHT15對監控對象進(jìn)行溫濕度采集，確保了信息來(lái)源的準確性;星形傳感器網(wǎng)絡(luò )建立，大大增加了監測區域的有效面積，在一定程度上減少了因為區域限制和采集節點(diǎn)數量限制而帶來(lái)了的誤差;采用Zigbee無(wú)線(xiàn)技術(shù)也確保了傳感器終端節點(diǎn)、控制節點(diǎn)與協(xié)調器節點(diǎn)通信的可靠性和經(jīng)濟性。該系統利用采集的信息通過(guò)控制節點(diǎn)對溫度和濕度進(jìn)行快速而有效的控制，大大減少傳統了手動(dòng)調節的滯后性。經(jīng)多組試驗，控制精度達到了SMT廠(chǎng)房的測控要求。本系統具有結構簡(jiǎn)單、功耗低、組網(wǎng)靈活，移動(dòng)性強等特點(diǎn)，對中小型工業(yè)廠(chǎng)房的監測和控制領(lǐng)域有著(zhù)很好的應用前景。