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

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)包括分布式的傳感器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點布置在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。每個傳感網(wǎng)絡(luò)裝備有一個連接到傳輸網(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)域傳到提供遠程連接和數(shù)據(jù)處理的基站，基站再通過Internet連到遠程數(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CC2430模塊掛接多個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?shù)乇O(jiān)控主機連接，如圖1所示。最后通過Internet將遠程終端用戶與當?shù)乇O(jiān)測系統(tǒng)連接，實現(xiàn)遠程網(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)測點立面示意圖如圖4所示。糧堆溫度監(jiān)測點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。對倉內(nèi)東、南、西、北各側(cè)3組同一平面的3個糧堆溫度監(jiān)測點的數(shù)據(jù)信息采取求平均值的方法進行整理，以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的可靠性和準確性。

3 DS18B20單總線溫度傳感器

DS18820數(shù)字溫度計提供9位(二進制)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。因為每一個DS18820在出廠時已經(jīng)給定了唯一的序號，因此任意多個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→復(fù)位→發(fā)55HMATCHROM命令→發(fā)64位地址→發(fā)0BE讀存儲器命令→連續(xù)讀出2字節(jié)數(shù)據(jù)(即溫度)→復(fù)位→讀下一個器件溫度。

4 CC2430模塊

4．1 CC2430芯片的主要特點

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了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)、幾個定時器(timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器(watchdogtimer)、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(power on reset)、掉電檢測電路(brown out detection)，以及21個可編程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。

CC2430芯片的主要特點如下：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無線電收發(fā)機；優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性；在休眠模式時僅0．9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機模式時少于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個強大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個符合IEEE802．15．4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器；強大和靈活的開發(fā)工具。

4．2 CC2430模塊設(shè)計

CC2430芯片需要很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能。電路使用一個非平衡天線，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PCB微波傳輸線組成，整個結(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32 MHz的石英諧振器(X100)和2個電容(C108和C109)構(gòu)成一個32 MHz的晶振電路。用1個32．768 kHz的石英諧振器(Y100)和2個電容(C110和C111)構(gòu)成一個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

5．1 上位機軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中，上層管理軟件采用3層C／S模式，實時對傳感器網(wǎng)絡(luò)送來的數(shù)據(jù)進行處理，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)控主機上的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程的監(jiān)測。監(jiān)控應(yīng)用軟件還對傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點進行跟蹤管理。對于監(jiān)控到的異常情況，上層管理軟件使用聲光、短信、電話實時報警方式。可顯示參數(shù)列表、實時曲線圖(對應(yīng)具體數(shù)值并任意調(diào)整坐標)、實時數(shù)據(jù)、折算數(shù)據(jù)、累計數(shù)據(jù)、歷史、報警畫面、報表等多種顯示。統(tǒng)計功能可根據(jù)用戶需求具體設(shè)計。

5．2 下位機軟件設(shè)計

在網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點都有一個固定的地址。連接于監(jiān)控主機的傳感器節(jié)點是一個特殊的節(jié)點，它采用串行接口與監(jiān)控主機通信。數(shù)據(jù)的傳送采用主從站方式，與監(jiān)控主機連接的節(jié)點作為主站，控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信時序；其他節(jié)點作為從站，可以被主站尋址。主節(jié)點主要完成采集各從節(jié)點數(shù)據(jù)，進行預(yù)處理；從節(jié)點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，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備糧管理水平，降低了管理成本，同時提高了糧庫的安全性。