摘 要：通信及傳感器技術(shù)的發(fā)展，加快了工業(yè)自動(dòng)化前進(jìn)的步伐。作為一種通信手段，無線技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。通過對(duì)igBee 技術(shù)的分析和對(duì)CC2430芯片的研究，利用 igBee技術(shù)設(shè)計(jì)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件電路，并寫出系統(tǒng)軟件流程，運(yùn)用該系統(tǒng)對(duì)倉庫溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以在節(jié)省大量人力財(cái)力的條件下，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的。

關(guān)鍵詞：igBee；無線通信；CC2430；溫度監(jiān)測(cè)

Warehouse Temperature Monitoring System Based on igBee Technology

CHEN Weige1，YAN Youyun1，CHEN Chaojun2

(1.Electrical Engineering and Autornation School，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，454003，China;[J]2.Jiaozuo Sanhelizhong Power Co.Ltd.，Jiaozuo，454003，China

Abstract：The development of communication and sensor technology speeds up the stride in industrial automation forward.As a communication means，wireless technology has broad application perspective.This paper focuses on the study of igBee technology network topology and research on CC2430，using igBee technology to the storage temperature monitoring to remote monitoring purposes.eywords：igBee;wireless communication;CC2430;temperature monitoring

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，每年都有大量的新糧收獲也有部分陳糧積壓，由于儲(chǔ)存不當(dāng)造成大量的糧食浪費(fèi)，給國家和人民造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了減少損失，以往采取用人工的辦法定期對(duì)糧食進(jìn)行晾曬、通風(fēng)、噴灑藥劑等，防止因存儲(chǔ)不當(dāng)引起蟲害，但這樣做消耗人力和財(cái)力，且效果不佳，發(fā)霉變質(zhì)等現(xiàn)象仍然仔在。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工定期定點(diǎn)查看糧倉溫度的方法，已逐漸被電子監(jiān)測(cè)溫度設(shè)備所取代。本文設(shè)計(jì)了一套糧倉溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用igBee技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)倉庫各點(diǎn)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，管理者可以在控制室隨時(shí)了解倉庫現(xiàn)場(chǎng)的信息，使糧倉管理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。

1 igBee技術(shù)的分析與研究

在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、商業(yè)監(jiān)控、汽車電子、家庭數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為小量的突發(fā)信號(hào)，即數(shù)據(jù)特征為數(shù)據(jù)量小，要求進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，如采用傳統(tǒng)的無線技術(shù)，雖然能滿足上述要求，但存在著設(shè)備的成本高、體積大和能源消耗較大等問題，針對(duì)這樣的應(yīng)用場(chǎng)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(shù)。igBee技術(shù)就是在這種需求下產(chǎn)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(shù)，其中文譯名通常稱為“紫蜂”技術(shù)。

igBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。在igBee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常由層來量化它的各個(gè)簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)。每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)。igBee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理(PHY層、媒體接人控制(MAC層、網(wǎng)絡(luò)/安全層以及應(yīng)用框架層組成，其各層之間如圖1所示。

PHY層的特征是啟動(dòng)和關(guān)閉無線收發(fā)器，能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量、信道選擇、清除信道評(píng)估，以及通過物理媒體對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收。MAC層的具體特征是信標(biāo)管理、信道接入、時(shí)隙管理、發(fā)送確認(rèn)幀、發(fā)送連接及斷開連接請(qǐng)求，且為應(yīng)用合適的安全機(jī)制提供方法。

igBee技術(shù)有星型和對(duì)等兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每種都有自己的組網(wǎng)特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，選用組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，盡管該方式只能組建包含較少的無線接點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)，但已經(jīng)能夠滿足系統(tǒng)的需要。

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一個(gè)叫作PAN主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個(gè)從設(shè)備組成，主協(xié)調(diào)器必須是一個(gè)具有完整功能的設(shè)備，從設(shè)備可以使完整功能設(shè)備，也可以是簡(jiǎn)化功能設(shè)備。當(dāng)一個(gè)具有完整功能的設(shè)備(FFD第一次被激活后，它就會(huì)建立一個(gè)自己的網(wǎng)絡(luò)，讓自身成為一個(gè)PAN主協(xié)調(diào)器。所有星型網(wǎng)絡(luò)的操作獨(dú)立于當(dāng)前其他星型網(wǎng)絡(luò)的操作，通過選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符確保網(wǎng)絡(luò)的惟一性。—旦選定了—個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符，PM主協(xié)調(diào)器就會(huì)允許其他從設(shè)備加入到它的網(wǎng)絡(luò)中，無論是具有完整功能的設(shè)備，還是簡(jiǎn)化功能的設(shè)備都可以加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，PAN主協(xié)調(diào)器是主要的耗能設(shè)備，而其他從設(shè)備均采用2節(jié)干電池供電。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 igBee芯片介紹

CC2430出自挪威Chipcon公司，是一款真正符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的片上igBee產(chǎn)品。該芯片延用以往CC2420芯片的結(jié)構(gòu)，在單個(gè)芯片上集成igBee射頻(RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個(gè)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(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC、幾個(gè)定時(shí)器、AES-128安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路。

CC2430還有21個(gè)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(gè)可使用的位。通過軟件設(shè)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(jì)時(shí)器或USART部件的外圍設(shè)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(qū)動(dòng)能力；

8，9腳（P1.0，P1.1）：具有20 mA的驅(qū)動(dòng)能力；

11～18腳（P0.0～P0.7）：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力；

43～46，48腳（P2.0～P2.4）：具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。

CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)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(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。

2.2 系統(tǒng)硬件電路

該系統(tǒng)采用星狀無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器安裝在有人值守的監(jiān)控室，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，并顯示當(dāng)前整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀況，且把收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中。RFD負(fù)責(zé)安裝在各個(gè)倉庫中，負(fù)責(zé)采集溫度值，然后定期或有中斷時(shí)，把數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。監(jiān)控人員在控制室通過顯示器就可以對(duì)倉庫溫度進(jìn)行監(jiān)視，無須到倉庫現(xiàn)場(chǎng)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(hào)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(gè)RS 232模塊用于連接計(jì)算機(jī)，給計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，將計(jì)算機(jī)外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用。所連接的計(jì)算機(jī)的作用是用來觀察串口輸出的數(shù)據(jù)。

RFD節(jié)點(diǎn)有CC2430、溫度傳感器和天線組成。節(jié)點(diǎn)通過溫度傳感器TC77檢測(cè)所處環(huán)境的溫度，然后通過天線發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。溫度傳感器使用TC77，它是Microchip公司生產(chǎn)的串聯(lián)可訪問數(shù)字溫度傳感器，特別適合于廉價(jià)，小尺寸的應(yīng)用中。溫度數(shù)據(jù)從內(nèi)部溫度敏感元件轉(zhuǎn)換而來，隨時(shí)都可以轉(zhuǎn)化成13位數(shù)字。

為了減少對(duì)其他設(shè)備和系統(tǒng)的干擾和影響，在保證設(shè)備能夠正常地工作的條件下，每個(gè)設(shè)備的發(fā)射功率應(yīng)盡可能地小。通常，igbee的發(fā)射功率在0～+10 dBm，通信距離范圍為10 m，可擴(kuò)大到約300 m，其發(fā)射功率利用設(shè)置的相應(yīng)服務(wù)原語進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中RFD節(jié)點(diǎn)的最小發(fā)射功率為-3 dBm。

在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器端，為保證設(shè)備能正常接收到RFD節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)，其有用信號(hào)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(hào)的最大輸入電平就是有用信號(hào)的最大功率值，本設(shè)計(jì)接收機(jī)的最大輸入電平值為-20 dBnb。

3 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件分主機(jī)和分機(jī)兩部分，主機(jī)作為全功能系統(tǒng)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和人機(jī)對(duì)話，分機(jī)作為簡(jiǎn)單功能系統(tǒng)，等待主機(jī)命令，傳輸本機(jī)點(diǎn)數(shù)據(jù)。其系統(tǒng)流程如圖2所示。

4 結(jié) 語

igBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其有廣泛的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)是在歸納國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，采用igBee技術(shù)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)倉庫溫度的監(jiān)測(cè)，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)花費(fèi)少、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容易、通訊穩(wěn)定、無需支付網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際中有很好的應(yīng)用價(jià)值。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］李文仲，段朝玉.igBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)［M］.北[LL]京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［2］蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

［3］孫利民，李建中，陳渝，等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［4］紀(jì)金水.igBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2007(3:71-76.

［5］昂志敏，金海紅，范之國，等.基于igBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與通信實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(10:47-49，57.