董德智，卓東風(fēng)

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，山西太原 030024)

1 總體設(shè)計(jì)方案

在鋼鐵企業(yè)的工廠里，除了原料場(chǎng)、焦?fàn)t、高爐等，還包含有各種監(jiān)測(cè)控制設(shè)備，如對(duì)溫度、濕度及對(duì)煤氣等物理量進(jìn)行采集的設(shè)備，環(huán)境檢測(cè)顯得尤為重要。一般情況下采集設(shè)備以有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的形式采集與傳輸數(shù)據(jù)。但是在布滿各種設(shè)備的鋼鐵廠車(chē)間里采用有線電纜實(shí)現(xiàn)溫濕度等工業(yè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集，有布線非常困難，不便于維護(hù)，設(shè)備不能隨意移動(dòng)等缺點(diǎn)。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種先進(jìn)的無(wú)線傳輸技術(shù)，它有著功耗低，數(shù)據(jù)傳輸可靠，網(wǎng)絡(luò)容量大，安全性高，實(shí)現(xiàn)成本較低［1］等優(yōu)點(diǎn)，此方案可以使鋼鐵工廠測(cè)量裝置易于安裝，便于維護(hù)，傳輸可靠。圖1為此方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 物理量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

ZigBee是基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)之上的有關(guān)組網(wǎng)、安全與應(yīng)用技術(shù)，使用了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層與 MAC子層。它采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，工作在868 MHz，915 MHz，2.4 GHz的 ISM 頻段［2］。主要應(yīng)用在消費(fèi)電子設(shè)備、生態(tài)監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備等領(lǐng)域。ZigBee規(guī)范定義了三種設(shè)備:ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備［3］。在組網(wǎng)方式上，主要采用星狀網(wǎng)，樹(shù)狀網(wǎng)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。采用新興ZigBee組網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以改變傳統(tǒng)的管理方式，對(duì)區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)施連續(xù)、有效監(jiān)測(cè)與分析，充分發(fā)揮了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在環(huán)境管理中的作用。特別是對(duì)人員無(wú)法接近的危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，使得能夠在中心監(jiān)控室可以監(jiān)視環(huán)境運(yùn)行狀態(tài)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 處理器模塊

本文的硬件采用 JENNIC公司的JN5139芯片。作為JENNIC公司生產(chǎn)的業(yè)界領(lǐng)先的兼容于IEEE 802.15.4的低功耗Soc芯片，芯片集成了一個(gè)32位RISC處理器，可以做性能非常強(qiáng)大的MCU使用，其中包含了16 MHz的32位RISC CPU，同時(shí)內(nèi)含有96 kB RAM、192 kB ROM，4個(gè)輸入端口，2個(gè)比較器，12位的ADC，兩個(gè)11位DAC，2個(gè)應(yīng)用級(jí)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，3個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器，2個(gè)串口，其中有一個(gè)用于系統(tǒng)的在線調(diào)試。一個(gè)SPI接口，帶有5個(gè)片選線。同時(shí)含有一個(gè)2線串行接口。此MCU含有21個(gè)GPIO口［4-5］，每個(gè)GPIO端口可通過(guò)軟件分別配置成輸入或輸出，并提供推挽式輸出或漏極開(kāi)路輸出。本文采用的是對(duì)溫度和濕度數(shù)據(jù)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在實(shí)際中可在GPIO口外接各種煤氣的專(zhuān)用傳感器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼鐵工廠里的環(huán)境量的全面監(jiān)測(cè)。

圖2 JN5139模塊結(jié)構(gòu)圖

JN5139模塊內(nèi)部電路圖如圖2所示，該模塊為開(kāi)發(fā)人員提供了訪問(wèn)JN5139芯片的全部數(shù)字和模擬接口能力，包括ADC、DAC、比較器、定時(shí)器、UART、串行口及GPIO。其I/O訪問(wèn)確保模塊可以單獨(dú)使用，而不必增加額外的電路去實(shí)現(xiàn)許多低功耗無(wú)線系統(tǒng)所需要的功能。每一個(gè)模塊都配備了IEEE802.15.4 MAC層軟件或ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

2.2 射頻部分

JN5139工作電壓為2.7～3.6 V，模塊提供高達(dá)97 dBm的接收敏感，大大提高了工作范圍，尤其是在多干擾源的惡劣環(huán)境中越顯強(qiáng)固，對(duì)載波的偏移和EVM有更大的容忍度。發(fā)射功率也增強(qiáng)到+3 dBm。JN5139模塊是目前市面上唯一單芯片無(wú)線微控制器，擁有100 dB Link budget，同時(shí)支持工業(yè)溫度標(biāo)準(zhǔn)及大工作電源電壓范圍。當(dāng)產(chǎn)品在等待外在事件激發(fā)，并進(jìn)入深層休眠方式的時(shí)候，芯片功耗僅400 nA，幾乎沒(méi)有消耗任何電力。若內(nèi)建芯片振蕩器和通信協(xié)議定時(shí)器啟動(dòng)工作，休眠電流消耗也在2 μA以下。這些休眠功耗方式與無(wú)線收發(fā)、通信協(xié)議軟件、硬件緊密地結(jié)合在單芯片無(wú)線微控制器上，滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池壽命要求。

內(nèi)建存儲(chǔ)器增加到192 kB ROM和96 kB RAM，可以充分發(fā)揮32位RISC單芯片處理機(jī)的超強(qiáng)運(yùn)算能力，完美地實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的應(yīng)用與ZigBee或其他mesh通信協(xié)定軟件的結(jié)合。芯片上的ROM已內(nèi)含多種軟件，包含全球首推IEEE 802.15.4版本B的MAC層，支持多種不同廠家的EEPROM裝置，JN5139提供了IEEE 802.15.4B和 ZigBee版本。

每個(gè)出廠的芯片皆有專(zhuān)屬唯一的網(wǎng)絡(luò)地址(MAC address)識(shí)別碼，如此可節(jié)省外接的Flash存儲(chǔ)器。另有256位一次可編程的只讀存儲(chǔ)器供客戶直接燒錄AES安全加密金鑰或其他專(zhuān)屬的識(shí)別碼。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊

節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊部分主要包含有高精度溫濕度傳感器SHT10，SHT10是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，采用LCC封裝，提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件，這兩個(gè)敏感元件與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器，以及一個(gè)串行接口電路設(shè)計(jì)在同一個(gè)芯片上面。SHT10在25℃下，測(cè)濕精度為±4.5，測(cè)溫精度為±0.5℃。

該傳感器品質(zhì)卓越、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高。每個(gè)傳感器芯片都在極為精確的恒溫室中進(jìn)行標(biāo)定，以鏡面冷凝式露點(diǎn)儀作為參照。通過(guò)標(biāo)定得到的校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲(chǔ)固化在芯片本身的OTP內(nèi)存中。通過(guò)兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單。體積微小、功耗極低等優(yōu)點(diǎn)使其成為各類(lèi)應(yīng)用中的首選。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

此方案在鋼鐵企業(yè)的車(chē)間內(nèi)部將多個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)安置在不同設(shè)備上，系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備分為ZigBee協(xié)調(diào)器(Coordinator)和ZigBee路由器(Router)兩類(lèi)，圖3為ZigBee協(xié)議棧的架構(gòu)，ZigBee協(xié)議棧由一些層構(gòu)成，它基于標(biāo)準(zhǔn)的OSI七層模型，通過(guò)定義相應(yīng)的層來(lái)完成相應(yīng)的任務(wù)［6］。圖4(a)為Coordinator的軟件流程圖，(b)為Router的軟件流程圖。其中Coordinator負(fù)責(zé)發(fā)起并組建網(wǎng)絡(luò)，等待Router的加入，并管理終端節(jié)點(diǎn)，而Router負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。這一網(wǎng)絡(luò)中的Router定期采集附著于設(shè)備上的傳感器數(shù)據(jù)。當(dāng)需要發(fā)送相應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)時(shí)，首先，附著在其上的傳感器節(jié)點(diǎn)將濕度等需要的物理量進(jìn)行采集，之后，節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包封裝后發(fā)送出去，以車(chē)間內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)作為支撐，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由的方式最終將信息傳輸?shù)焦S的管理終端。這種先進(jìn)的無(wú)線采集通信技術(shù)可以使得鋼鐵工廠測(cè)量裝置易于安裝，便于維護(hù)。

圖3 ZigBee協(xié)議棧

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設(shè)備之間的無(wú)線通信技術(shù)。它具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，受到了相關(guān)科研院所和企業(yè)的關(guān)注。目前基于ZigBee的相關(guān)技術(shù)正在不斷地發(fā)展和完善之中，本文對(duì)此技術(shù)在鋼鐵企業(yè)車(chē)間的應(yīng)用作了相應(yīng)的研究，基于ZigBee的無(wú)線傳輸技術(shù)可以使工廠內(nèi)數(shù)據(jù)采集更加方便、高效，維護(hù)成本更低，有利于提升工廠的自動(dòng)化程度。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)證明這一方案的可靠性，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

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