基于ZigBee技術(shù)的倉庫溫度監(jiān)測系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工定期定點查看糧倉溫度的方法，已逐漸被電子監(jiān)測溫度設(shè)備所取代。本文設(shè)計了一套糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)。采用ZigBee技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)對倉庫各點溫度進行監(jiān)測，管理者可以在控制室隨時了解倉庫現(xiàn)場的信息，使糧倉管理實現(xiàn)自動化、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、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，即數(shù)據(jù)特征為數(shù)據(jù)量小，要求進行實時傳送，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，針對這樣的應(yīng)用場合，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)，主要適合于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。在ZigBee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常由層來量化它的各個簡化標準。每一層負責(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層的特征是啟動和關(guān)閉無線收發(fā)器，能量檢測、鏈路質(zhì)量、信道選擇、清除信道評估，以及通過物理媒體對數(shù)據(jù)包進行發(fā)送和接收。MAC層的具體特征是信標管理、信道接入、時隙管理、發(fā)送確認幀、發(fā)送連接及斷開連接請求，且為應(yīng)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(jié)構(gòu)，每種都有自己的組網(wǎng)特點。本設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)特點，選用組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單的星型網(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的無線網(wǎng)絡(luò)，但已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)的需要。

星型拓撲結(jié)構(gòu)有一個叫作PAN主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個從設(shè)備組成，主協(xié)調(diào)器必須是一個具有完整功能的設(shè)備，從設(shè)備可以使完整功能設(shè)備，也可以是簡化功能設(shè)備。當一個具有完整功能的設(shè)備(FFD)第一次被激活后，它就會建立一個自己的網(wǎng)絡(luò)，讓自身成為一個PAN主協(xié)調(diào)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，通過選擇一個PAN標識符確保網(wǎng)絡(luò)的惟一性。一旦選定了一個PAN標識符，PM主協(xié)調(diào)器就會允許其他從設(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，還是簡化功能的設(shè)備都可以加入到這個網(wǎng)絡(luò)中。在星形拓撲結(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

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(jié)構(gòu)，在單個芯片上集成ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個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)、幾個定時器、AES-128安全協(xié)處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路。

CC2430還有21個可編程的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、計時器或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)動能力；

8，9腳(P1.0，P1.1)：具有20 mA的驅(qū)動能力；

11～18腳(P0.0～P0.7)：具有4 mA輸出驅(qū)動能力；

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

CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為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)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(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)只有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干個RFD節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器安裝在有人值守的監(jiān)控室，負責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，并顯示當前整個網(wǎng)絡(luò)的狀況，且把收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機中。RFD負責(zé)安裝在各個倉庫中，負責(zé)采集溫度值，然后定期或有中斷時，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倉庫溫度進行監(jiān)視，無須到倉庫現(xiàn)場。

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RS 232模塊用于連接計算機，給計算機傳輸數(shù)據(jù)，將計算機外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計算機內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用。所連接的計算機的作用是用來觀察串口輸出的數(shù)據(jù)。

RFD節(jié)點有CC2430、溫度傳感器和天線組成。節(jié)點通過溫度傳感器TC77檢測所處環(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，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，隨時都可以轉(zhuǎn)化成13位數(shù)字。

為了減少對其他設(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)原語進行控制。本設(shè)計中RFD節(jié)點的最小發(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(shè)計接收機的最大輸入電平值為-20 dBnb。

3 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件分主機和分機兩部分，主機作為全功能系統(tǒng)負責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和人機對話，分機作為簡單功能系統(tǒng)，等待主機命令，傳輸本機點數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)流程如圖2所示。

4 結(jié) 語

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)，實現(xiàn)對倉庫溫度的監(jiān)測，具有組網(wǎng)簡單、系統(tǒng)花費少、擴展網(wǎng)絡(luò)容易、通訊穩(wěn)定、無需支付網(wǎng)絡(luò)費用等優(yōu)點。在實際中有很好的應(yīng)用價值。