基于ZigBee技術的倉庫溫度監(jiān)測系統

隨著科學技術的發(fā)展，傳統的人工定期定點查看糧倉溫度的方法，已逐漸被電子監(jiān)測溫度設備所取代。本文設計了一套糧倉溫度監(jiān)測系統。采用ZigBee技術的無線通信網絡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場的信息，使糧倉管理實現自動化、智能化。

1 ZigBee技術的分析與研究

在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、商業(yè)監(jiān)控、汽車電子、家庭數字控制網絡等應用中，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，要求進行實時傳送，如采用傳統的無線技術，雖然能滿足上述要求，但存在著設備的成本高、體積大和能源消耗較大等問題，針對這樣的應用場合，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。ZigBee技術就是在這種需求下產生的。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，其中文譯名通常稱為“紫蜂”技術。

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。在ZigBee技術中，其體系結構通常由層來量化它的各個簡化標準。每一層負責完成所規(guī)定的任務，并且向上層提供服務。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務。ZigBee技術的體系結構主要由物理(PHY)層、媒體接人控制(MAC)層、網絡／安全層以及應用框架層組成，其各層之間如圖1所示。

PHY層的特征是啟動和關閉無線收發(fā)器，能量檢測、鏈路質量、信道選擇、清除信道評估，以及通過物理媒體對數據包進行發(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，且為應用合適的安全機制提供方法。

ZigBee技術有星型和對等兩種拓撲結構，每種都有自己的組網特點。本設計根據系統特點，選用組網結構簡單的星型網絡結構，盡管該方式只能組建包含較少的無線接點的無線網絡，但已經能夠滿足系統的需要。

星型拓撲結構有一個叫作PAN主協調器的中央控制器和多個從設備組成，主協調器必須是一個具有完整功能的設備，從設備可以使完整功能設備，也可以是簡化功能設備。當一個具有完整功能的設備(FFD)第一次被激活后，它就會建立一個自己的網絡，讓自身成為一個PAN主協調器。所有星型網絡的操作獨立于當前其他星型網絡的操作，通過選擇一個PAN標識符確保網絡的惟一性。一旦選定了一個PAN標識符，PM主協調器就會允許其他從設備加入到它的網絡中，無論是具有完整功能的設備，還是簡化功能的設備都可以加入到這個網絡中。在星形拓撲結構中，PAN主協調器是主要的耗能設備，而其他從設備均采用2節(jié)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產品。該芯片延用以往CC2420芯片的結構，在單個芯片上集成ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。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／數轉換器(ADC)、幾個定時器、AES-128安全協處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、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輸出驅動能力；

8，9腳(P1.0，P1.1)：具有20 mA的驅動能力；

11～18腳(P0.0～P0.7)：具有4 mA輸出驅動能力；

43～46，48腳(P2.0～P2.4)：具有4 mA輸出驅動能力。

CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產，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用。

2.2 系統硬件電路

該系統采用星狀無線網絡系統，系統只有一個網絡協調器和若干個RFD節(jié)點。網絡協調器安裝在有人值守的監(jiān)控室，負責建立網絡和管理網絡，并顯示當前整個網絡的狀況，且把收到的數據發(fā)送到計算機中。RFD負責安裝在各個倉庫中，負責采集溫度值，然后定期或有中斷時，把數據發(fā)送給網絡協調器。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，無須到倉庫現場。

網絡協調器有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，給計算機傳輸數據，將計算機外部來的串行數據轉換為字節(jié)，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觀察串口輸出的數據。

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)送給網絡協調器。溫度傳感器使用TC77，它是Microchip公司生產的串聯可訪問數字溫度傳感器，特別適合于廉價，小尺寸的應用中。溫度數據從內部溫度敏感元件轉換而來，隨時都可以轉化成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原語進行控制。本設計中RFD節(jié)點的最小發(fā)射功率為-3 dBm。在網絡協調器端，為保證設備能正常接收到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絡協調和人機對話，分機作為簡單功能系統，等待主機命令，傳輸本機點數據。其系統流程如圖2所示。

4 結 語

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，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技術構建的無線傳感器網絡，實現對倉庫溫度的監(jiān)測，具有組網簡單、系統花費少、擴展網絡容易、通訊穩(wěn)定、無需支付網絡費用等優(yōu)點。在實際中有很好的應用價值。