岳彥名

摘 要：通信技術(shù)及傳感器的不斷發(fā)展，造就了工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和DS18B20傳感器相結(jié)合，以CC2530單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)了傳感節(jié)點(diǎn)自主加入網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)環(huán)境、傳輸信息并適時(shí)發(fā)出警報(bào)的功能。本文設(shè)計(jì)基于ZigBee的木材存儲(chǔ)室溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)木材存儲(chǔ)室溫度變化，達(dá)到起火提前預(yù)警。

關(guān)鍵詞：DS18B20;ZigBee;環(huán)境監(jiān)測(cè);CC2530

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，倉(cāng)庫(kù)以及庫(kù)房的數(shù)量也不斷提升，存儲(chǔ)的規(guī)模也不斷壯大。我國(guó)作為一個(gè)造紙術(shù)開(kāi)創(chuàng)的國(guó)家，造紙?jiān)夏静牡拇鎯?chǔ)也不是少數(shù)，然而木材是一種生產(chǎn)及生活中非常常見(jiàn)的材料，原木或原木改造的初級(jí)產(chǎn)品往往呈垛或堆狀存放于倉(cāng)庫(kù)中，當(dāng)倉(cāng)庫(kù)中存在可燃因子時(shí)，火災(zāi)極易發(fā)生，且燃燒強(qiáng)度、蔓延速度極快，且非常難以控制。雖然有的倉(cāng)庫(kù)可以監(jiān)測(cè)溫度變化，但是依然沒(méi)有達(dá)到智能的效果，特別是在報(bào)警手段和問(wèn)題處理上主要依賴人為因素，且由于其體系架構(gòu)局限于局域網(wǎng)，基本是一個(gè)倉(cāng)庫(kù)一套應(yīng)用，普遍使用有線傳感器[1]。 因此，本設(shè)計(jì)使用ZigBee組網(wǎng)，使用必要的傳感器與執(zhí)行器建立了一個(gè)低成本、高效率監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)來(lái)保證倉(cāng)庫(kù)的安全。

1 系統(tǒng)需求分析

當(dāng)下大部分的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，它的基本原理是通過(guò)內(nèi)部有線或者無(wú)線傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)上傳到內(nèi)部服務(wù)器的應(yīng)用端，再根據(jù)控制策略對(duì)控制器發(fā)出指令但這種系統(tǒng)很難與廣域網(wǎng)的智能終端進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊、預(yù)警[1]。 隨著ZigBee 技術(shù)的出現(xiàn)，通過(guò)組網(wǎng)連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)變化已經(jīng)成為最佳選擇。

2 溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)工作原理

溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由4部分構(gòu)成，分別是：感知層，傳輸層，處理層以及應(yīng)用層。感知層以DS18B20溫度傳感器監(jiān)測(cè)外界環(huán)境溫度變化。傳輸層基于 ZigBee[2] 技術(shù)而設(shè)計(jì)，由終端節(jié)點(diǎn)、 路由節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（內(nèi)置于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之中）構(gòu)成無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)。處理層主要是完成對(duì)與CC2530單片機(jī)連接的外部接口的定義，以及對(duì)內(nèi)存單位特殊定義，以及RAM內(nèi)存處理。應(yīng)用層則是當(dāng)溫度保持在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)不被觸發(fā)，當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定值發(fā)出報(bào)警。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括 CC2530單片機(jī)，DS18B20溫度傳感器，蜂鳴器，ZigBee 節(jié)點(diǎn)，主要硬件的設(shè)計(jì)如下：

（1）CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4 ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強(qiáng)大的功能[3]。

（2）溫度傳感器是系統(tǒng)的核心，DS18B20溫度傳感器支持單總線接口，所有的傳感器部分和模數(shù)轉(zhuǎn)化電路都像晶體管一樣集成在一塊芯片。測(cè)量溫度的范圍為：-55℃——125℃，其中-10℃——85℃的精確度是±0.5℃[4]。由DS18B20溫度傳感器測(cè)量的溫度通過(guò)單接口總線傳輸，這樣提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，使其可以在各種環(huán)境下正常的工作。

DS18B20溫度傳感器只有有一種供電方式，以第二管腳作為信號(hào)線;第三管腳接電源。此種供電方式有諸多不便，如增加了硬件電路的復(fù)雜化，增大了軟件控制的難度，降低芯片工作功能等等。實(shí)際上，將溫度傳感器結(jié)合單片機(jī)CC2530，以單片機(jī)供電使用。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，以溫度傳感器為終端加入組網(wǎng)。

（3）為了簡(jiǎn)化電路和程序的調(diào)試，使用蜂鳴器為報(bào)警裝置。蜂鳴器由溫度傳感器控制，當(dāng)溫度超過(guò)預(yù)先設(shè)定的溫度的最大、最小值時(shí)，P2.5輸出端口輸出低電平，使三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警。

（4）組建一個(gè)完整的zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化、節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。其中節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)又包括兩個(gè)步驟：通過(guò)與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)和通過(guò)已有父節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)主要包含三個(gè)：終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[5]。

1.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)：ZigBee協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)信息的匯聚點(diǎn)，是網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)組建、維護(hù)和管理網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞;ZigBee協(xié)調(diào)器有較強(qiáng)的通信能力、處理能力和發(fā)射能力，能夠把數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程控制端。

2.路由器節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)資料包，進(jìn)行數(shù)據(jù)的路由路徑尋找和路由維護(hù)，允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并輔助其子節(jié)點(diǎn)通信;路由器節(jié)點(diǎn)是終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的中繼，它為終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的通信進(jìn)行接力。

3.終端節(jié)點(diǎn)：終端節(jié)點(diǎn)可以直接與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連，也可以通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連。

實(shí)驗(yàn)中組建星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和一個(gè)或多個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成，所有的終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)初始化和已有父節(jié)點(diǎn)直接加入網(wǎng)絡(luò)。

4實(shí)驗(yàn)測(cè)試與驗(yàn)證

本次設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)CC2530兩臺(tái)，溫度傳感器DS18B20，蜂鳴器結(jié)合ZigBee組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警處理，組網(wǎng)連接等功能。

溫度傳感器作為終端，協(xié)調(diào)器作為采集節(jié)點(diǎn)，建立起ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，然后等待傳感器加入。當(dāng)藍(lán)色指示燈全部亮起，表示溫度傳感器成功加入網(wǎng)絡(luò)，然后開(kāi)始對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器獲取到信息后，在對(duì)所收集到的信息進(jìn)行分析，比對(duì)事先設(shè)定的警報(bào)溫度值，當(dāng)達(dá)到指定溫度數(shù)值時(shí)蜂鳴器報(bào)警，沒(méi)有達(dá)到警戒溫度，則繼續(xù)對(duì)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)是一種基于Zigbee的木材存儲(chǔ)室溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，首先對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行簡(jiǎn)要描述，然后對(duì)系統(tǒng)的硬件組成進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后通過(guò)測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)對(duì)木材存儲(chǔ)室溫度的監(jiān)控，具有很強(qiáng)的可行性。

參考文獻(xiàn)：

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