CC2430與DS18B20的糧庫溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)包括分布式的傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)布置在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。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)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)把被測數(shù)據(jù)從傳感區(qū)域傳到提供遠(yuǎn)程連接和數(shù)據(jù)處理的基站，基站再通過Internet連到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫。最后采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)分析、挖掘后通過一界面提供給終端用戶。

本系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)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(guī)律布置在糧庫中，通過單總線與當(dāng)前CC2430模塊連接；利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)將這些CC2430模塊組網(wǎng)，并把數(shù)據(jù)發(fā)送到本倉數(shù)據(jù)集中器，通過網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)集中器與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控主機(jī)連接，如圖1所示。最后通過Internet將遠(yuǎn)程終端用戶與當(dāng)?shù)乇O(jiān)測系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化糧庫數(shù)量監(jiān)控，如圖2所示。

2 傳感器布置模型

平房倉糧堆溫度數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)布置平面示意圖如圖3所示。倉內(nèi)溫度傳感器的設(shè)定是相對(duì)東、南、西、北側(cè)墻向內(nèi)每側(cè)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(cè)由墻向內(nèi)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(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)立面示意圖如圖4所示。糧堆溫度監(jiān)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電纜設(shè)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(duì)倉內(nèi)東、南、西、北各側(cè)3組同一平面的3個(gè)糧堆溫度監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息采取求平均值的方法進(jìn)行整理，以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的可靠性和準(zhǔn)確性。

3 DS18B20單總線溫度傳感器

DS18820數(shù)字溫度計(jì)提供9位(二進(jìn)制)溫度讀數(shù)，指示器件的溫度信息經(jīng)過單線接口送入DS18820或從DS18820送出，因此從主機(jī)CPU到DS18820僅需一條線(和地線)。DS18820的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。因?yàn)槊恳粋€(gè)DS18820在出廠時(shí)已經(jīng)給定了唯一的序號(hào)，因此任意多個(gè)DS18820可以存放在同一條單線總線上，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(nèi)把溫度變換成數(shù)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(fù)位→發(fā)55HMATCHROM命令→發(fā)64位地址→發(fā)44H開始轉(zhuǎn)換命令→延時(shí)→復(fù)位→發(fā)55HMATCHROM命令→發(fā)64位地址→發(fā)0BE讀存儲(chǔ)器命令→連續(xù)讀出2字節(jié)數(shù)據(jù)(即溫度)→復(fù)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(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)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(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器(watchdogtimer)、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)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(zhuǎn)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的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的2．4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)；優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)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(tǒng)；在待機(jī)模式時(shí)少于0．6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持CSMA／CA功能；較寬的電壓范圍(2．0～3．6 V)；數(shù)字化的RSSI／LQI支持和強(qiáng)大的DMA功能；具有電池監(jiān)測和溫度感測功能；集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC；集成AES安全協(xié)處理器；帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個(gè)符合IEEE802．15．4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器；強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。

4．2 CC2430模塊設(shè)計(jì)

CC2430芯片需要很少的外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。電路使用一個(gè)非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。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微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。內(nèi)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(gòu)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(gòu)成一個(gè)32．768 kHz的晶振電路。電壓調(diào)節(jié)器為所有要求1．8 V電壓的引腳和內(nèi)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(wěn)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(shè)計(jì)

5．1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，上層管理軟件采用3層C／S模式，實(shí)時(shí)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成用戶最終關(guān)心的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式。局域網(wǎng)內(nèi)的終端用戶在經(jīng)過授權(quán)后，可以讀取監(jiān)控主機(jī)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測。監(jiān)控應(yīng)用軟件還對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤管理。對(duì)于監(jiān)控到的異常情況，上層管理軟件使用聲光、短信、電話實(shí)時(shí)報(bào)警方式?？娠@示參數(shù)列表、實(shí)時(shí)曲線圖(對(duì)應(yīng)具體數(shù)值并任意調(diào)整坐標(biāo))、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、折算數(shù)據(jù)、累計(jì)數(shù)據(jù)、歷史、報(bào)警畫面、報(bào)表等多種顯示。統(tǒng)計(jì)功能可根據(jù)用戶需求具體設(shè)計(jì)。

5．2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

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

6 結(jié) 論

該無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)以低成本、低功耗無線單片機(jī)CC2430為核心，采用DS18820溫度傳感器獲取數(shù)據(jù)，電路結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、檢測精度高，且具有無線數(shù)據(jù)通信靈活方便等特點(diǎn)，特別適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、監(jiān)測封閉空間和其他需要多點(diǎn)監(jiān)測的特殊場合。該網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用極大地提高了中央儲(chǔ)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。