基于ZigBee技术的仓库温度监测系统

 我国是一个农业大国,每年都有大量的新粮收获也有部分陈粮积压,由于储存不当造成大量的粮食浪费,给国家和人民造成巨大的经济损失。为了减少损失,以往采取用人工的办法定期对粮食进行晾晒、通风、喷洒药剂等,防止因存储不当引起虫害,但这样做消耗人力和财力,且效果不佳,发霉变质等现象仍然仔在。

随着科学技术的发展,传统的人工定期定点查看粮仓温度的方法,已逐渐被电子监测温度设备所取代。本文设计了一套粮仓温度监测系统。采用ZigBee技术的无线通信网络对仓库各点温度进行监测,管理者可以在控制室随时了解仓库现场的信息,使粮仓管理实现自动化、智能化。

 

1  ZigBee技术的分析与研究

在工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等应用中,系统所传输的数据通常为小量的突发信号,即数据特征为数据量小,要求进行实时传送,如采用传统的无线技术,虽然能满足上述要求,但存在着设备的成本高、体积大和能源消耗较大等问题,针对这样的应用场合,人们希望利用具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技术。ZigBee技术就是在这种需求下产生的。它是具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术,其中文译名通常称为紫蜂技术。

zigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适合于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。在ZigBee技术中,其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定的任务,并且向上层提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。ZigBee技术的体系结构主要由物理(PHY)层、媒体接人控制(MAC)层、网络/安全层以及应用框架层组成,其各层之间如图1所示。

 

 

PHY层的特征是启动和关闭无线收发器,能量检测、链路质量、信道选择、清除信道评估,以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。MAC层的具体特征是信标管理、信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送连接及断开连接请求,且为应用合适的安全机制提供方法。

ZigBee技术有星型和对等两种拓扑结构,每种都有自己的组网特点。本设计根据系统特点,选用组网结构简单的星型网络结构,尽管该方式只能组建包含较少的无线接点的无线网络,但已经能够满足系统的需要。

    星型拓扑结构有一个叫作PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成,主协调器必须是一个具有完整功能的设备,从设备可以使完整功能设备,也可以是简化功能设备。当一个具有完整功能的设备(FFD)第一次被激活后,它就会建立一个自己的网络,让自身成为一个PAN主协调器。所有星型网络的操作独立于当前其他星型网络的操作,通过选择一个PAN标识符确保网络的惟一性。一旦选定了一个PAN标识符,PM主协调器就会允许其他从设备加入到它的网络中,无论是具有完整功能的设备,还是简化功能的设备都可以加入到这个网络中。在星形拓扑结构中,PAN主协调器是主要的耗能设备,而其他从设备均采用2节干电池供电。

 

2 系统硬件设计

2.1 ZigBee芯片介绍

CC2430出自挪威Chipcon公司,是一款真正符合IEEE802.15.4标准的片上ZigBee产品。该芯片延用以往CC2420芯片的结构,在单个芯片上集成ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用一个8MCU(8051),具有3264128 kB可编成闪存和8 kBRAM,还包含模/数转换器(ADC)、几个定时器、AES-128安全协处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路。

CC2430还有21个可编程的IO口引脚,P0P1口是完全的8位口,P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节,可使这些引脚作为通常的IO口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备IO口使用。其IO口引脚功能如下:

16(P1.2P1.7):具有4 mA输出驱动能力;

89(P1.0P1.1):具有20 mA的驱动能力;

1118(P0.0P0.7):具有4 mA输出驱动能力;

434648(P2.0P2.4):具有4 mA输出驱动能力。

CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27 mA;在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27 mA25 mACC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

2.2 系统硬件电路

该系统采用星状无线网络系统,系统只有一个网络协调器和若干个RFD节点。网络协调器安装在有人值守的监控室,负责建立网络和管理网络,并显示当前整个网络的状况,且把收到的数据发送到计算机中。RFD负责安装在各个仓库中,负责采集温度值,然后定期或有中断时,把数据发送给网络协调器。监控人员在控制室通过显示器就可以对仓库温度进行监视,无须到仓库现场。

网络协调器有CC2430、串口部分、天线、按键和显示模块组成。天线用的是非平衡天线,它与非平衡变压器连接,使天线性能更好。CC2430模块通过天线接收到信号后,通过SPI口直接输出到液晶显示器上。串口部分用UART模块,UART再外接一个RS 232模块用于连接计算机,给计算机传输数据,将计算机外部来的串行数据转换为字节,供计算机内部使用并行数据的器件使用。所连接的计算机的作用是用来观察串口输出的数据。

RFD节点有CC2430、温度传感器和天线组成。节点通过温度传感器TC77检测所处环境的温度,然后通过天线发送给网络协调器。温度传感器使用TC77,它是Microchip公司生产的串联可访问数字温度传感器,特别适合于廉价,小尺寸的应用中。温度数据从内部温度敏感元件转换而来,随时都可以转化成13位数字。

为了减少对其他设备和系统的干扰和影响,在保证设备能够正常地工作的条件下,每个设备的发射功率应尽可能地小。通常,Zigbee的发射功率在0+10 dBm,通信距离范围为10 m,可扩大到约300 m,其发射功率利用设置的相应服务原语进行控制。本设计中RFD节点的最小发射功率为-3 dBm。在网络协调器端,为保证设备能正常接收到RFD节点发射的信号,其有用信号不能太大,否则,将造成接收信息堵塞,不能正常地接收。通常接收端的有用信号的最大输入电平就是有用信号的最大功率值本设计接收机的最大输入电平值为-20 dBnb

 

3 系统软件流程

系统软件分主机和分机两部分,主机作为全功能系统负责网络协调和人机对话,分机作为简单功能系统,等待主机命令,传输本机点数据。其系统流程如图2所示。

 

 

4

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,其有广泛的应用前景。该系统是在归纳国内外研究成果的基础上,采用ZigBee技术构建的无线传感器网络,实现对仓库温度的监测,具有组网简单、系统花费少、扩展网络容易、通讯稳定、无需支付网络费用等优点。在实际中有很好的应用价值。

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