CC2430與DS18B20的糧庫溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )設計

1 傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構

一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò )的體系結構包括分布式的傳感器節點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)和用戶(hù)界面等。在傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)布置在被監測區域內。每個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò )裝備有一個(gè)連接到傳輸網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò )把被測數據從傳感區域傳到提供遠程連接和數據處理的基站，基站再通過(guò)Internet連到遠程數據庫。最后采集到的數據經(jīng)分析、挖掘后通過(guò)一界面提供給終端用戶(hù)。

本系統主要結構是每個(gè)CC2430模塊掛接多個(gè)DS18820溫度傳感器。溫度傳感器按一定規律布置在糧庫中，通過(guò)單總線(xiàn)與當前CC2430模塊連接；利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)技術(shù)將這些CC2430模塊組網(wǎng)，并把數據發(fā)送到本倉數據集中器，通過(guò)網(wǎng)橋將數據集中器與當地監控主機連接，如圖1所示。最后通過(guò)Internet將遠程終端用戶(hù)與當地監測系統連接，實(shí)現遠程網(wǎng)絡(luò )化糧庫數量監控，如圖2所示。

2 傳感器布置模型

平房倉糧堆溫度數據信息采集系統監測點(diǎn)布置平面示意圖如圖3所示。倉內溫度傳感器的設定是相對東、南、西、北側墻向內每側各布置3組溫度傳感器，其中每組間距為1 m；東、南、西、北各側由墻向內布置的間距分別是0．25 m、0．25 m、0．5 m、1．0 m、1．0 m……。

平房倉糧堆溫度數據信息采集系統監測點(diǎn)立面示意圖如圖4所示。糧堆溫度監測點(diǎn)分別由糧面向下和由倉底向上布置，按照6m裝糧高度每根單總線(xiàn)電纜設置8只溫度傳感器，自糧面向下及自倉底向上傳感器布置間距為0．30 m、0．70 m、1．0 m、1．0 m。對倉內東、南、西、北各側3組同一平面的3個(gè)糧堆溫度監測點(diǎn)的數據信息采取求平均值的方法進(jìn)行整理，以提高監測數據信息的可靠性和準確性。

3 DS18B20單總線(xiàn)溫度傳感器

DS18820數字溫度計提供9位(二進(jìn)制)溫度讀數，指示器件的溫度信息經(jīng)過(guò)單線(xiàn)接口送入DS18820或從DS18820送出，因此從主機CPU到DS18820僅需一條線(xiàn)(和地線(xiàn))。DS18820的電源可以由數據線(xiàn)本身提供，而不需要外部電源。因為每一個(gè)DS18820在出廠(chǎng)時(shí)已經(jīng)給定了唯一的序號，因此任意多個(gè)DS18820可以存放在同一條單線(xiàn)總線(xiàn)上，這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。DS18820的測量范圍從-55℃～+125℃，增量值為0．5℃，可在1 s(典型值)內把溫度變換成數字。DS18820與CC2430的接口電路如圖5所示。

多個(gè)DS18820讀溫度流程如下：復位→發(fā)55HMATCHROM命令→發(fā)64位地址→發(fā)44H開(kāi)始轉換命令→延時(shí)→復位→發(fā)55HMATCHROM命令→發(fā)64位地址→發(fā)0BE讀存儲器命令→連續讀出2字節數據(即溫度)→復位→讀下一個(gè)器件溫度。

4 CC2430模塊

4．1 CC2430芯片的主要特點(diǎn)

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU(8051)，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(timer)、AES128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器(watchdogtimer)、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復位電路(power on reset)、掉電檢測電路(brown out detection)，以及21個(gè)可編程I／O引腳。CC2430芯片采用0．18 μmCMOS工藝生產(chǎn)；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。

CC2430芯片的主要特點(diǎn)如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE 802．15．4標準的2．4GHz的RF無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機；優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強大的抗干擾性；在休眠模式時(shí)僅0．9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統；在待機模式時(shí)少于0．6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統；硬件支持CSMA／CA功能；較寬的電壓范圍(2．0～3．6 V)；數字化的RSSI／LQI支持和強大的DMA功能；具有電池監測和溫度感測功能；集成了14位模數轉換的ADC；集成AES安全協(xié)處理器；帶有2個(gè)強大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個(gè)符合IEEE802．15．4規范的MAC計時(shí)器，1個(gè)常規的16位計時(shí)器和2個(gè)8位計時(shí)器；強大和靈活的開(kāi)發(fā)工具。

4．2 CC2430模塊設計

CC2430芯片需要很少的外圍部件配合就能實(shí)現信號的收發(fā)功能。電路使用一個(gè)非平衡天線(xiàn)，連接非平衡變壓器可使天線(xiàn)性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C112和電感L102、L100、L101以及1個(gè)PCB微波傳輸線(xiàn)組成，整個(gè)結構滿(mǎn)足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。內部T／R交換電路完成LNA和PA之間的交換。用1個(gè)32 MHz的石英諧振器(X100)和2個(gè)電容(C108和C109)構成一個(gè)32 MHz的晶振電路。用1個(gè)32．768 kHz的石英諧振器(Y100)和2個(gè)電容(C110和C111)構成一個(gè)32．768 kHz的晶振電路。電壓調節器為所有要求1．8 V電壓的引腳和內部電源供電，C115、C100、C101、C104、C102、C113、C103、C107、C106、C105電容是去耦合電容，用于電源濾波，以提高芯片工作的穩定性，R101、R102為電流提供精確的偏置電阻，如圖6所示。

5 軟件設計

5．1 上位機軟件設計

本系統中，上層管理軟件采用3層C／S模式，實(shí)時(shí)對傳感器網(wǎng)絡(luò )送來(lái)的數據進(jìn)行處理，形成用戶(hù)最終關(guān)心的數據表現形式。局域網(wǎng)內的終端用戶(hù)在經(jīng)過(guò)授權后，可以讀取監控主機上的實(shí)時(shí)數據，實(shí)現遠程的監測。監控應用軟件還對傳感器網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行跟蹤管理。對于監控到的異常情況，上層管理軟件使用聲光、短信、電話(huà)實(shí)時(shí)報警方式?？娠@示參數列表、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)圖(對應具體數值并任意調整坐標)、實(shí)時(shí)數據、折算數據、累計數據、歷史、報警畫(huà)面、報表等多種顯示。統計功能可根據用戶(hù)需求具體設計。

5．2 下位機軟件設計

在網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)固定的地址。連接于監控主機的傳感器節點(diǎn)是一個(gè)特殊的節點(diǎn)，它采用串行接口與監控主機通信。數據的傳送采用主從站方式，與監控主機連接的節點(diǎn)作為主站，控制網(wǎng)絡(luò )內的通信時(shí)序；其他節點(diǎn)作為從站，可以被主站尋址。主節點(diǎn)主要完成采集各從節點(diǎn)數據，進(jìn)行預處理；從節點(diǎn)主要完成各種傳感器原始數據的采集工作，如圖7所示。

6 結 論

該無(wú)線(xiàn)溫度傳感器網(wǎng)絡(luò )以低成本、低功耗無(wú)線(xiàn)單片機CC2430為核心，采用DS18820溫度傳感器獲取數據，電路結構簡(jiǎn)單、工作穩定可靠、檢測精度高，且具有無(wú)線(xiàn)數據通信靈活方便等特點(diǎn)，特別適用于工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境、監測封閉空間和其他需要多點(diǎn)監測的特殊場(chǎng)合。該網(wǎng)絡(luò )的應用極大地提高了中央儲備糧管理水平，降低了管理成本，同時(shí)提高了糧庫的安全性。