司志澤 王淑秀 戚威 高靜

（山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院，山東濟南 250102）

依據(jù)CNAS-CL01《檢測和校準實驗室能力認可準則》中實驗室應(yīng)確保其環(huán)境條件不會使結(jié)果無效，或?qū)λ蟮臏y量質(zhì)量產(chǎn)生不良影響[1]，相關(guān)的規(guī)范、方法和程序有要求，或?qū)Y(jié)果的質(zhì)量有影響時，實驗室應(yīng)監(jiān)測、控制和記錄環(huán)境條件[1]。CNAS-CL11《檢測和校準實驗室能力認可準則在電氣檢測領(lǐng)域的應(yīng)用說明》中實驗室的檢測操作區(qū)域應(yīng)提供充分照明，照度應(yīng)不低于250 lux[2]的要求，實驗室應(yīng)對溫度、濕度、照度等有具體標準，并對其實時監(jiān)控并記錄。

目前，國內(nèi)普通實驗室的溫度、濕度檢測通常采用人工抄表方式進行監(jiān)測，照度在固定周期內(nèi)監(jiān)測一次，先進一點的實驗室通常采用大型實驗設(shè)備，恒溫恒濕室來保證實驗條件的達成，而照明則采用實驗室或工廠常規(guī)的的防爆燈，它發(fā)光效率低、布線麻煩、更換復雜，最重要的是，隨著外界光照條件的變換，防爆燈的照度是恒定不變的。當前的電氣檢測實驗室對照明技術(shù)高效、自動化和節(jié)能的需求是完全不能滿足的。針對傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)控方式及照明系統(tǒng)的不足，本文設(shè)計了基于ZigBee 技術(shù)的電氣實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 ZigBee 技術(shù)簡介

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 標準的雙向無線組網(wǎng)通訊技術(shù)，其主要技術(shù)特點：低功耗、低成本、時延短、自組織（自配置、自修復、自管理）、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全、可靠。它的通訊支持無限擴展，可由65 535 個無線數(shù)傳模塊組成網(wǎng)絡(luò)，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，所有的模塊之間可以自由通信，ZigBee 有3個頻段，分別是2.4 GHz（全球流行傳輸速率250 kbit/s）、868 MHz（歐洲流行傳輸速率20 kbit/s）和915 MHz（美國流行傳輸速率40 kbit/s）[3]。

在ZigBee 組網(wǎng)形成的網(wǎng)絡(luò)中，有三種邏輯設(shè)備：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設(shè)備（End-Device），其組成的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ZigBee 組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖

2 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成

本環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有溫度、濕度監(jiān)控和光照控制。系統(tǒng)框架主要由ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和上位機監(jiān)控組成，其溫度、濕度監(jiān)控主要由傳感器SHT35 采集并處理后，通過無線信號傳輸給路由器，路由器再傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對全部傳輸來的數(shù)據(jù)進行接受處理，再通過RS232 串行總線送入上位機，在上位機進行人機交互。而光照控制主要是光照傳感器BPW34S 在采集到光照度后，通過路由器傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在采集上來的光照數(shù)據(jù)與設(shè)定值250 lux 進行對比，并通過PWM LED 驅(qū)動控制芯片HV9910 對LED 燈進行調(diào)節(jié)。其系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)框圖

在本硬件系統(tǒng)中，CC2530 是基于RF 收發(fā)器、增強型8051CPU 的片上系統(tǒng)，它是集2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的優(yōu)良解決方案，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其它強大的功能。

數(shù)字溫度、濕度傳感器SHT35 采用瑞士Sensirion 公司的CMOSens?技術(shù)，是高集成度電容式測濕元件和能隙式測溫元件，能提供極高的可靠性和出色的長期穩(wěn)定性，具有高精度、低功耗、反應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點。

BPW34S（硅光電池）輸出信號范圍為10 mV～1.1 V，其原理是將光能信號轉(zhuǎn)換為電能信號，并且是無電源需求，光電流和照度是線性結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換效率高。但是CC2530 的AD 轉(zhuǎn)換電壓為3.3 V，因此需要把光電傳感器的輸出放大3 倍，再進行AD 轉(zhuǎn)換這就需要利用運算放大電路進行放大。

HV9910 是高效的PWM LED 驅(qū)動控制集成電路，采用高壓隔離連接工藝，能經(jīng)受高達450 V 的浪涌輸入電壓的沖擊，在輸入電壓從直流8 V～450 V 范圍內(nèi)，都能有效驅(qū)動高亮LED。它的輸出電流由輸入到HV9910 的外部控制電壓控制，可以在0 到最大值之間任意調(diào)節(jié)。另外，HV9910 也提供低頻的PWM 調(diào)光功能，能接收外部幾千赫茲的控制信號，以便在0～100%的占空比下進行調(diào)光[4]。

以上，數(shù)字溫度、濕度傳感器SHT35，光電傳感器（硅光電池）BPW34S，PWM LED 驅(qū)動控制芯片HV9910 具體參數(shù)如表1 所示。由表1 中的參數(shù)表可以看出，能夠滿足實驗室環(huán)境的要求。

表1 SHT35、BPW34S、HV9910 具體參數(shù)表

3 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于本系統(tǒng)采用ZigBee 技術(shù)，因此軟件設(shè)計是在TI ZigBee 協(xié)議棧（簡寫TI Z-Stack）基礎(chǔ)上進行。本文主要從協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點進行程序設(shè)計。

協(xié)調(diào)器的任務(wù)主要是組建包括判斷終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)、綁定終端節(jié)點的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，并將溫度、濕度、光照數(shù)據(jù)傳給上位機。協(xié)調(diào)器上電后，初始化后，組建網(wǎng)絡(luò)，當有節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，驗證通過后，協(xié)調(diào)器將允許其加入網(wǎng)絡(luò)，對接收到的數(shù)據(jù)，通過串口通訊將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。協(xié)調(diào)器的程序流程圖如圖3 所示。

圖3 協(xié)調(diào)器程序結(jié)構(gòu)

終端節(jié)點上電后，系統(tǒng)初始化后搜索網(wǎng)絡(luò)并發(fā)出請求信息，入網(wǎng)后，對溫度、濕度、光照數(shù)據(jù)采集，并上傳。數(shù)據(jù)間隔采集的空閑時間，系統(tǒng)自動進入低功耗模式。終端節(jié)點的程序流程圖如圖4 所示。

本系統(tǒng)中的溫度、濕度只進行數(shù)據(jù)采集并顯示，光照數(shù)據(jù)采集后與標準設(shè)定值250 lux 進行比較，如果低于設(shè)定值，通過HV9910 PWM LED 驅(qū)動控制芯片進行調(diào)節(jié)，直至光照滿足要求。

圖4 終端節(jié)點程序結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)測試

在選取1 間電氣實驗室后，對實驗室現(xiàn)有的4 個防爆燈進行了更換，更換為LED 燈光，然后利用本文介紹的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行了組建，設(shè)置了6 個終端節(jié)點，組網(wǎng)后，實現(xiàn)了溫度、濕度、光照度的數(shù)據(jù)采集。采集數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 1 間實驗室6 個終端節(jié)點的測試結(jié)果

由上述數(shù)據(jù)可以看出，溫度及濕度值能夠滿足實驗需求，且能夠?qū)崟r記錄，滿足準則的要求。但是光照度來看，比較分散，且光照度應(yīng)該每個值都能滿足不低于250 lux 的要求，通過HV9910 驅(qū)動控制芯片進行調(diào)亮控制，實現(xiàn)了任一檢測位置都能滿足需求。

通常1 個產(chǎn)品實驗室（一般3 間以上）進行組網(wǎng)，這樣更容易實現(xiàn)產(chǎn)品檢測整體控制，有利于檢驗檢測對產(chǎn)品的特殊要求。

5 結(jié)束語

本文基于ZigBee 無線自組網(wǎng)方式，具有低成本、低功耗、布線簡單，施工方便、工程造價低，在不影響實驗室使用的同時，輕松實現(xiàn)了CNAS-CL01《檢測和校準實驗室能力認可準則》和CNAS-CL11《檢測和校準實驗室能力認可準則在電氣檢測領(lǐng)域的應(yīng)用說明》對電氣實驗室的環(huán)境要求，同時對其他有溫度、濕度、光照有要求，同時不想大規(guī)模進行改造的檢驗檢測實驗室有較大的參考價值。