ZigBee糧倉無線測溫系統(tǒng)設(shè)計方案

1、基于 ZigBee 的糧倉無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計金曉龍（廣東女子職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用設(shè)計系 ,廣東廣州511450）摘要： 采用 ZigBee 技術(shù)， 提出一種結(jié)合 ATmega128L單片機、 CC2420射頻芯片和 VB.NET技術(shù)實現(xiàn)糧倉無線測溫系統(tǒng)的硬件體系和軟件實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)能實時檢測糧倉溫度、無線傳輸數(shù)據(jù)、動態(tài)顯示及報警，能實現(xiàn)各種糧倉管理功能， 與傳統(tǒng)的有線糧倉測控系統(tǒng)相比，具有性能穩(wěn)定，易于布設(shè)、維護、擴展等優(yōu)點。關(guān)鍵詞： ZigBee ；三層結(jié)構(gòu)；CC2420芯片； VB.NET中圖分類號：TP273Design of Wireless Measure and Control Sy

2、stem in GrainStorage Based on ZigBeeJin Xiaolong（Guangdong WomensPolytechnic College, Application and DesignD）epartment, Guangzhou 511450,ChinaAbstract ： Based on ZigBee,a new designof wirelesstemperature measure and controlsystem combined with ATmega128L,CC2420,VB.NET technology is put forward.Theh

3、ardware architecture and software realization of the system are presented. Thesystem can measure granary temperature on real time,transmit data by wirelesscommunication, dynamic display and alarm, complete various functions of granarymanagement.Compared with traditional wire grain inspection system,

4、 this system isof stable performance,is easy to layout, maintenance, expansion and so on.Key words ： ZigBee ； three-tier structure；CC2420 chip ； VB.NET0 引言糧倉測溫系統(tǒng)采用電子、計算機、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)對糧庫溫度的實時檢測，防止由于溫度超標引起糧食發(fā)熱、霉變，若出現(xiàn)超標， 則及時報警、 定位超標位置、 開啟通風(fēng)設(shè)備降溫。糧倉測溫系統(tǒng)還可以實現(xiàn)糧庫管理功能， 合理調(diào)整糧食的收購、儲藏、 調(diào)運等各項指標，提高糧庫的經(jīng)濟效益。 目前糧倉測溫系統(tǒng)多采

5、用有線通信和外部電源供電的結(jié)構(gòu)， 系統(tǒng)存在著布設(shè)困難、 故障率高、難以維護等缺陷， 經(jīng)常會發(fā)生由纜線引入雷擊、 糧食倒倉時機械損壞線路、 鼠害損壞線路、 熏蒸損壞連接節(jié)點等事件。采用無線通信技術(shù)和電池供電可以解決上述問題，通過無線方式可以免去數(shù)據(jù)線、電源線的布置，使系統(tǒng)具有更好穩(wěn)定性、靈活性，易于維護及擴展。1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)遠程計算機網(wǎng)絡(luò)第一層機房打印機上位機通信機通風(fēng)控制測溫分測溫分機 1#機 N#倉外溫度感器糧倉整體第二層第三層糧倉內(nèi)部測溫下測溫下1#倉溫度檢測位機 1#位機 N#溫協(xié)調(diào)節(jié)點度傳路由節(jié)點感器終端節(jié)點圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖采用三層結(jié)構(gòu)，如圖1。第一層是上位機，通過通信機與各糧倉

6、分機無線通信，尋呼各分機， 接收并處理來自各分機的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)不滿足協(xié)議要求，丟棄并重新接收，動態(tài)顯示處理后的實時數(shù)據(jù)， 若某位置溫度超標則及時報警、突顯超標位置，另外，上位機還可以實現(xiàn)糧倉的各種管理功能，打印、 備份數(shù)據(jù)或利用網(wǎng)絡(luò)傳到遠程計算機。第二層是分機， 每個糧倉設(shè)置一臺分機， 每臺分機通過無線通信與倉內(nèi)的若干下位機相連，各下位機將采集的倉內(nèi)、倉外數(shù)據(jù)發(fā)送給分機，分機對數(shù)據(jù)做初步處理，若出現(xiàn)超標， 開啟通風(fēng)設(shè)備降溫， 最后，將處理完數(shù)據(jù)打包發(fā)送給上位機。第三層是下位機， 一個倉內(nèi)可以有若干個下位機，下位機負責(zé)采集溫度數(shù)據(jù)并打包無線上傳給分機，每個下位機通過電纜連接若干測溫傳感器，其測溫

7、傳感器埋于糧食中、置于倉內(nèi)或倉外，用來檢測糧食內(nèi)部溫度、倉內(nèi)及倉外環(huán)境溫度。上位機程序采用 VB.NET編寫，負責(zé)整個系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置、 接收并檢驗來自主機的數(shù)據(jù)、 完成數(shù)據(jù)與溫度轉(zhuǎn)換、實現(xiàn)動態(tài)顯示及報警，以及完成存儲、打印、糧倉各種管理功能。上位機與通信機之間采用 RS232方式通信，通信機與各主機、各主機與對應(yīng)倉內(nèi)下位機之間采用無線通信方式進行數(shù)據(jù)的交換。主機、下位機采用ATmega128L 芯片，無線通信采用CC2420芯片，下位機使用 SHT11型溫度傳感器。2 無線通信及數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計ZigBee 是一種近距離、低功耗、低成本、 低傳輸速率的無線收發(fā)技術(shù)，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議符合技術(shù)

8、標準，它廣泛運用于工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、家居智能化控制和醫(yī)療設(shè)備控制等，目的是為了滿足小型廉價設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制。ZigBee 的通信距離通常為 10m，可擴大為約 300m，可覆蓋一定限度的工作范圍。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠協(xié)同地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域中對象的信息， 并傳送給觀察者。一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點以及多個路由節(jié)點和多個終端節(jié)點組成。 協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點，它負責(zé)發(fā)起建立新的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點以及存儲網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點信息等，網(wǎng)絡(luò)形成后也可以執(zhí)行路

9、由功能。路由節(jié)點可以參與路由發(fā)現(xiàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā)、 通過連接別的節(jié)點來擴展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍等。終端節(jié)點通過協(xié)調(diào)節(jié)點或者路由節(jié)點連接到網(wǎng)絡(luò)，但不允許其它任何節(jié)點通過它加入網(wǎng)絡(luò)，主要負責(zé)底層數(shù)據(jù)的采集及傳輸。在糧庫，相鄰糧倉的距離不遠，而糧倉相距的最遠距離可能較遠。若設(shè)一個中心機房，從中心機房到各糧倉的距離不等，有遠有近。 糧庫的規(guī)模以后可能擴大， 糧倉距離中心機房的最遠距離會增加。糧庫的這些特點：相鄰分布、低成本、一個中心、易擴充等適合采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對應(yīng)圖1，通信機采用協(xié)調(diào)器節(jié)點模式、主機采用路由節(jié)點模式、下位機采用終端節(jié)點模式。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最初是由協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)動并建立。協(xié)調(diào)器節(jié)點首先進

10、行信道掃描，選擇一個空閑的或相對適合的無線信道，建立一個 ZigBee 無線局域網(wǎng)， 并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標， 之后接收其它節(jié)點發(fā)送過來的申請加入網(wǎng)絡(luò)的請求，判斷請求的無線局域網(wǎng)絡(luò) ID 是否與自身的相同， 若相同則將該節(jié)點加入到無線局域網(wǎng)絡(luò)之中，并且為每一個經(jīng)過批準加入此網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點都分配一個在此網(wǎng)絡(luò)內(nèi)唯一的 16位短地址，發(fā)送節(jié)點以后向接收節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)都將此短地址一同發(fā)送，以便接收節(jié)點能辨別數(shù)據(jù)的來源。一個節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，可以從其父節(jié)點得到自己的短地址、 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)地址以及規(guī)定的拓撲參數(shù)。父節(jié)點可以是協(xié)調(diào)器節(jié)點或路由節(jié)點，子節(jié)點可以是路由節(jié)點或終端節(jié)點。一個節(jié)點要離開網(wǎng)絡(luò)，只須向其父節(jié)點提出

11、請求即可。一個節(jié)點若成功地接收一個子節(jié)點，或者其子節(jié)點成功脫離網(wǎng)絡(luò)，都必須向協(xié)調(diào)器節(jié)點匯報， 協(xié)調(diào)器節(jié)點可以實時掌握網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點信息。協(xié)調(diào)器節(jié)點流程圖如圖2所示，路由節(jié)點流程圖如圖 3所示，終端節(jié)點流程圖如圖4所示。開始建立一個新網(wǎng)絡(luò)進入無線監(jiān)控狀態(tài)N空中有信息？YY 有節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)？給該節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)號N接收到節(jié)點N的數(shù)據(jù)？Y處理數(shù)據(jù)并傳送給上位機圖 2 協(xié)調(diào)器節(jié)點流程圖接收到信息包接收到信息包是否給自己N的信息包？是否給自己YY的信息包？Y接收數(shù)據(jù)是N處理數(shù)據(jù)交否完畢？Y目標地址是到上一層N否為鄰居？延遲直到數(shù)據(jù)接收完畢直接發(fā)送N根據(jù)路由算法請?zhí)幚頂?shù)據(jù)包求其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)送到上一層結(jié)束結(jié)

12、束圖 3路由節(jié)點流程圖圖 4 終端節(jié)點流程圖考慮低功耗、 低成本， 采用 ATMEL公司的低功耗 CMOS工藝 8位微控制器 ATmega128L，在無數(shù)據(jù)處理時，令控制處理器進入睡眠模式，節(jié)省能耗，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要處理器處理時，由喚醒源將其喚醒， 進入工作狀態(tài)， 一旦數(shù)據(jù)處理完畢，再次進入睡眠模式。無線通信采用Chipcon公司的射頻芯片 CC2420，其休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間特性， 滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對低成本、 低功耗的要求。 數(shù)據(jù)采集采用瑞士 Sensirion 公司的 SHT11型數(shù)字式溫濕度傳感器，該傳感器采用單片集成設(shè)計，具有體積小、功耗低的特點。IO1FIFOINTFIF

13、OPIO2CCAICPSFDATmega128LCC2420SSCSnMOSISIMISOSOSCLKSCLK圖 5 CC2420 與 ATmega128L 的連接CC2420有 4個 SPI通信接口： CSn、 SI 、 SO、 SCLK，對應(yīng) ATmega128L的 4個 SPI通信接口：SS、 MOSI、MISO、 SCLK。通過這 4條線，處理器可以對CC2420進行寫入或讀取配置信息，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)。由于CC2420只有從機模式，因此處理器只能采用主機模式。如圖5所示，由處理器的 SCLK引腳提供時鐘頻率；SS引腳控制數(shù)據(jù)收發(fā)的同步性，在接收和發(fā)送時，都要保證CSn為低電平； MOS

14、I與 MISO分別是數(shù)據(jù)輸出和輸入的引腳。 SHT11的 SCK、 DATA分別與微處理器 ATmega128L的 PC0、 PC1相連， SHT11根據(jù) SCK、 DATA不同高低電平時序完成相應(yīng)功能。3 上位機功能設(shè)計系統(tǒng)管理： 包含用戶管理、倉號管理、環(huán)境設(shè)置等二級子菜單。用戶管理用于設(shè)置用戶名及密碼； 倉號管理用來設(shè)置系統(tǒng)糧倉編號；環(huán)境設(shè)置用來設(shè)置報警溫度上限、備份時間間隔、備份起始時間、 數(shù)據(jù)與溫度轉(zhuǎn)換表，各糧倉情況設(shè)置：負責(zé)人、 管理員、 操作員、倉號、品種、等級、性質(zhì)、水份、雜質(zhì)、容重、數(shù)量、入庫時間。巡檢控制： 包含按倉顯示、 水平顯示、 輪回巡檢、 后臺巡檢、 巡檢倉設(shè)置等二

15、級子菜單。按倉顯示將檢測結(jié)果按一倉一屏的方式顯示， 而每一屏由若干個倉截面組成， 每一個倉界面由一個下位機負責(zé)，按倉顯示將顯示圖形與實際的位置對應(yīng)，若出現(xiàn)某一位置超限，可以快速找到它的實際位置。水平顯示將每倉的檢測結(jié)果逐行顯示，每一行由一個下位機負責(zé)，每行又按照不同電纜分為若干組，如3× 5 負責(zé)檢測5 條電纜及每條電纜上有3 個傳感器，則每一行顯示5 組，每組 3 個單元，水平顯示的優(yōu)點是數(shù)據(jù)排列整齊緊湊，稍加分析就可以快速找到對應(yīng)的實際位置。輪回巡檢是按照可巡檢倉的設(shè)置依次巡檢每一個倉，巡檢一周后繼續(xù)循環(huán)進行，將每次巡檢的結(jié)果實時顯示出來。后臺巡檢是指巡檢每一個倉，但只顯示選擇倉

16、的數(shù)據(jù)， 用鼠標點擊顯示的糧倉圖標即可指定選擇倉。巡檢倉設(shè)置是用來指定可參加巡檢的倉號。報警設(shè)置：開啟、關(guān)閉報警功能，選擇報警音樂。當(dāng)檢測溫度超過報警溫度上限時，若開啟報警功能，則紅色突顯該檢測點、播放報警音樂。查詢打?。嚎梢园慈俊磦}、按從機查詢或打印存儲數(shù)據(jù)。備份恢復(fù)：包括當(dāng)前備份、日期備份、歷史恢復(fù)。對數(shù)據(jù)備份時，若輸入日期，則備份為輸入日期數(shù)據(jù)， 若不輸入， 則備份為當(dāng)前日期數(shù)據(jù)。 歷史恢復(fù)是指可以選擇某一備份數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)恢復(fù)為該歷史數(shù)據(jù)。使用 VB.NET編寫上位機程序時，處理了以下幾個主要問題：(1) 根據(jù)實際使用倉情況動態(tài)地進行巡檢、顯示，使用動態(tài)控件數(shù)組完成該功能。先在窗

17、體上放置一個顯示控件，然后在程序處理過程中，根據(jù)實際使用個數(shù)，使用加顯示控件個數(shù)。 為了靈活處理各種顯示情況， 設(shè)計了檢測顯示函數(shù)，顯示窗體、包含顯示數(shù)據(jù)的動態(tài)數(shù)組。Redim語句增該函數(shù)的調(diào)用參數(shù)為(2) 使用 Mscomm 控件設(shè)計串口通信，通過屬性設(shè)置端口號、波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位和停止位、緩沖區(qū)大小等，使用 Output屬性向緩沖區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)或出現(xiàn)故障時，觸發(fā) OnComm事件。使用定時器每隔一段時間發(fā)出呼叫，在OnComm 事件中根據(jù)CommEvent 的值來判斷是正確接收還是出現(xiàn)故障，對接收正確的數(shù)據(jù)進行檢驗、拆分、轉(zhuǎn)換等處理。(3) 在中文 Windows 使用的是

18、雙字節(jié)字符集 (DBCS) 系統(tǒng)，若要向串口發(fā)送一個字節(jié)的字符，需要使用字節(jié)數(shù)組，如：Dim aa(255) As ByteFor i = 0 To 255aa(i) = iNext iMSComm1.Output = aa(4) 對于糧倉打印功能的設(shè)計，考慮糧倉報表一般表格格式不變而只是填充的內(nèi)容變化，所以采用VB 調(diào)用 Excel 報表輸出的方法，可以充分利用Excel 優(yōu)秀的報表生成功能，同時將打印程序設(shè)計主要集中在數(shù)據(jù)的處理上，使打印設(shè)計更加簡潔、靈活。4 運行數(shù)據(jù)分析對上位機的串口通信，使用 SerialTrace 軟件進行調(diào)試，運行數(shù)據(jù)如圖為向串口發(fā)送的呼叫數(shù)據(jù)，第二組為從串口接收的檢測數(shù)據(jù)） ：6 所示（第一組圖 6 運行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析：由檢測協(xié)議（本文省略）分析可知，第一組數(shù)據(jù)為上位機發(fā)出的7個字節(jié)的呼叫， 呼叫的分機號為 01，信息包長度為 02，校驗位 81。第二組為 01號分機應(yīng)答上位機呼叫而返回的檢測數(shù)據(jù)， FA為分隔位， FA之間為一個下位機檢測的數(shù)據(jù)， FA 位之后的第五位表示傳感類型，傳感位之后為各個檢測點的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過校正、轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)。5 結(jié)束語本文提出了一個基于無線傳輸?shù)?/p>