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基于ZigBee的工业环境监测网络节点的设计.pdf

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基于ZigBee的工业环境监测网络节点的设计.pdf

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第 9卷 第 18期 2009年 9月  1671—1819(2009)18—5562.04  科 学 技 术 与 工 程  Science Technology and Engineering  Vo1.9  No.18  Sep.2009  @ 2009  Sci.Tech.Engng.  基于 ZigBee的工 业环境监测 网络节点 的设计  郝 宪锋 刘广孚  (中国石油大学 (华东 )信息与控 制工程学 院,东营 257061)  摘 要  介绍 了 Zigbee技术及 网络拓扑结构 ,在 此基础 之上构 建 了基 于 Zigbee的工 业环境 监测 网络。 以 CC2430芯 fl-为核  心 ,设计 了一种应用 于工 业环境 监测 的无线传 感器 网络 节点 ,并 详 细 阐述 了 网络节 点 中无 线通 信模 块 和 数据 采集 模块 的  设 计 。  关键词 环境监测  无 线传感器 网络  ZigBee  CC2430  中图法分类号 TP393.06;  文献标志码 A  工 业 生产 中 ,对 生 产 环 境进 行 实 时监 测 不 仅 能  监 测生 产设 备 的运 行 状况 ,而且 可 以优 化 员 工 工 作  环 境 ,防止 隐患事 故 的发 生 。然 而 随着 工 业 测 控 系  统规模的不断扩大,传统环境监测实施 中大量通信  电缆 的铺 设 成 本 高 ,灵 活 性 差 ,施 工 困难 等 弊 端 已  经成 为阻 碍工业 通 信技 术发 展 的主要 难题 。  随着 无线传 感 器 网络 技术 的不 断发 展 ,一 种 新  兴 的无 线 连接 技 术一 zigBee技 术 以其 低 成 本 、低 功  耗 、低 复杂 程度 、灵 活组 网等优 点得 到 了广泛 应用 。  1  ZigBee概述  器 和终 端设 备 。每 个 网 络都 必 须 包 括 一 台协 调 器 。  它是 整个 网络 的 中心 ,负 责 网络 的 组织 和维 护 。路   由器 负责 网络 中数 据 包 的路 由选 择 ,并 能 够 用来 拓  展 网络 的范 围.而 终 端设 备 则 是 实 现 具 体 功 能 的单  元 。根据 功能来 划 分为 全功 能设备 (FFD)和 精 简功  能设 备 (RFD)。协 调 器 和 路 由器 必须 为 FFD,而 终  端设备 可 以是 FFD或 RFD。  1.2  ZigBee网络拓 扑结构  ZigBee技术 具有 强大 的组 网能 力 ,支持 星型 、簇  状 型 、网状 型 3种 网络 拓扑 结构 J,如 图 1所 示 。  ZigBee是 一种 新 兴 的短 距 离 、低 功 率 、低 速 率 、  低成 本 的无 线 传 感 器 网络 技 术 ,工 作 于 2.4GHz全  球 统一且 无需 申请 的工 业 科 学 和 医疗 频 段 ,传 输 速  率 为 10~250kb/s,传 输距 离 为 10~75m。用 于 近距  离无 线 通 信 ,适 合 现 场 监 测 。依 据 IEEE802.15.4  标 准 ,在 数 千 个 微 小 的 传 感 器 间 相 互 协 调 实 现  通 信 J。  1.1  ZigBee设 备类 型  ZigBee网络 中包含 3种设 备 类 型 :协调 器 、路 由  繁  网状 型   ● 协调器  O 路由器  。 终端设备  2009年 5月 15 日收 到  第一作者简介 :郝宪锋 (198O一 ),中国石油大学 (华东 )信息 与控制  研究助理讲 师。研 究方 向 :无 线传 感 器 网络 、检 测技 术 及智 能 仪  表 。E—mail:haox@hdpu.edn,COn。  图 1  Zibee网络拓 扑结 构  每种 网 络 都 有 各 自的 优 点 。 由 于 网状 型 网 络  从 源节 点 到达 目的节 点 可 以有 多 条 路 径 ,路 径 的冗  余加强 了可靠性 ,若原先 的路径 出现 了问题 ,比如  l8期  郝宪锋 ,等 :基 于 ZigBee的工业环境监 测网络节点的设计  5563  受 到干扰 ,或 者其 中一个 中间节 点 出现 了故 障 ,Zig-  Bee可 以切 换 到 另 一 条路 径 。另 外 ,该 拓 扑 结 构 具  3 网络节点硬件设 计  有很 大 的路 由深度 和 网 络节 点 规 模 ,可 组 成 极 为 复  杂 的网络 ,并 具 备 自组 织 、自愈 功 能 ,网 络 维 护 成  无线传感器网络的节点通常 由传感器模 块、处  本 。因此 ,工业无 线 网络 中通 常采用 网状 型结 构 。  理 器模块 、无 线通 信 模 块 和 电源 模 块 构 成 。处 理 器  和无 线通 信模 块采 用 支持 zigbee协议 的片上 系统 级  2 系统总体设计  芯 片 CC2430,大 大简 化 了射频 电路 的设 计 。传 感 器  模块 采用 集成 温 湿 度传 感 器 SHT71和 MQ—2型 气  整个 网络 由监 控 主 机 和 ZigBee网络 组 成 。这  体传 感器 ,电源采 用干 电池 供 电 。  是个 层次 型 网络结 构 。最 底部 为传 感 器 终 端 设 备 ,  3.1 无线 通信模 块  向上依 次 是 路 由器 、协 调 器 和 监 控 主 机 ,系 统 网络  CC2430是 TI公 司收 购 无 线 单 片 机公 司 CHIP—  结构 如 图 2所示 。  CON后 推 出的全 新 概 念 新 一 代 ZigBee无 线 单 片机  RS  监控主机  DMA 远程计算机  系列芯 片 J。它是 一 款 真 正 符 合 IEEE802.15.4标  准 的片 上 SOC ZigBee产 品。CC2430除 了 包 括 RF  收发 器 外 ,还 集 成 了 加 强 型 8051MCU、ADC、DMA、  看 门狗 等 。可 工 作 在 2.4 GHz频 段 ,采 用 低 电 压  蒜  (2.0~3.6)V供 电且 功耗 很低 ,其 灵 敏度 高 达 一91  dBm、最 大 输 出 为 +0.6 dBm、最 大 传 送 速 率 为  250 kbs。  CC2430配 合很少 的外 围元 件 就 可组 成 无 线通  信模 块 ,如 图 3所示 。  监 控主机 为 一 台计 算 机 ,用 来 显 示 环 境监 测 的  数 据 ,对 网络 发 送 命 令 。ZigBee网 络 负责 环 境 数 据  的采 集 ,它 由协 调 器 、路 由器 和 终 端 设 备 组 成 。在  每个 网络 中必 须要 有 一 个 协 调器 ,负 责 发起 网络 并  对其 管理 和维 护 ,包 括 对 新 加 人 的设 备 分 配 网络 地  址 ,节 点 的加 人 和 断 开 ,网络 的安 全 密 钥 的 分 发 更  新 等 。为避 免节 点 加入 任 意 组 网 ,造 成 网络 节 点 的  功耗分 布不 均 ,本 应 用 中 ,网络 内部 分 为 若 干 个 小  的星形 网络 ,每 个 星形 网络 定 义 为 一 个 组 。星 形 网  络 的 中心节 点就 是 ZigBee路 由器 ,它 将终 端 设 备 上  传 的信 息 整 合 处 理 ,再 将 数 据 发 送 给 ZigBee协 调  器 。ZigBee网络 与监控 主 机采用 串行 接 口连 接 。另  外 ,根据 工 业 现 场 实 际 需 求 还 可 以 通 过 无 线 技 术  (如 GPRS、CDMA)或 有 线 网 络 (如 Internet、Enther—  net)等方 式 与远程 计算 机连 接 ,实现 远程 监控 。  图 3 无线模块 电路 图  科 学 技 术 与 工 程  9卷  它使 用一 个 非平 衡 天 线来 连接 非 平 衡 变 压 器 ,  以使 天线 性 能更 加 出 色 。 电路 中 的非 平 衡 变 压 器  由电容 C12和 电感 ,J1、  、  及一个 PCB微波传输  线组 成 ,整 个 结 构 可 满 足 RF输 入/输 出 匹 配 电 阻  (50 n)的要 求 。 内部 T/R交换 电路 用 于完 成 LNA  和 PA之 间的交 换 。R4、R5为偏 置 电 阻 ,其 中 R4主  要 用 于为 32 MHz的晶体 振 荡器 提 供 合适 的工 作 电  流 。选 用 一 只 32MHz的 石 英 谐 振 器 和 两 只 电 容  (C13、C14)可 以构 成 32 MHz晶体 振 荡 器 电路 。芯  片 内部 的 电压稳压 器 可为所 有 1.8 V 电压 的引脚 和  内部 电源供 电 ,C1 1、C15为去 耦 电容 ,主要 用 于 电源  滤 波 ,以提 高芯 片的工 作稳 定性 。  3.2 数 据 采集模块  由于 网络 节点 采 用 电池 供 电 ,要 求 传 感 器及 配  套 电路尽 量 简单 、省 电 、稳 定 可 靠 、一致 性 好 。主要  完 成对环 境 的温湿 度 和可燃 气体 浓度 的测量 。  设计 中选 用瑞 士 SENSIRION公 司的基 于 Sensi—  rion技 术 的全校 准数 字式 温湿 度传 感 器 SHT7 1采集  温湿 度数 据 。SHT71能 同时 测量 湿度 、温 度和露 点 ,  是一 款高 度集 成 的温 湿 度 传感 器 芯 片 ,具有 可靠 性  高 、抗干扰 能力 强 、稳 定性 好 、性 价 比 高等 优 点 。在  一 个 芯片 上 ,集 成 了 温 湿 度 传 感 器 、信 号 放 大 调 整  器 、A/D 转 换 器 和 总 线 接 口 ,可 以 提 供 一40℃一  120℃范 围 内 分 辨 率 为 14bit的 温 度 测 量 以 及 0—  100%范 围 内分 辨 率 为 12bit的湿 度 测 量 J。传 感  器 的数 字输 出是 通 过 串行 时 钟 输 入线 SCK和 串行  数 据 线 DATA 两 线 数 字 接 口 直 接 与 微 处 理 器  CC2430通信 。  ycc  [ 面 区  匦  [ 面   Y<   Y  圆 N◇   l整堡垒呈 垄堕 I   厂— 面  ]  图 4 数据采 集模 块电路  18期  傅进军 :固液旋 流器分离效率影响 因素分析  5581  Inf luence Factors about Perform ance of Hydrocylone for  Solid and Liquid Separation  FU Jin-jun  (Yantai Branch of the Special Equipment Examination Research Institute of Shandong Province,Yantai 261400,P.R.China)  [ABSTRACT]  Separation ef iciency is an important criterion of the performance of hydrocyclone.The relation—  ships between the total ef i ciency,granular eff iciency and net ef i ciency are introduced through exper iment’S re—  suhs,and t he inf luences of t he inlet f low-rate,t he size of underflow,the concentration and viscosity of suspending  liquid on separation ef i ciency of a hydrocyclone a re a lso analyzed.According to the in f l uence rule of all kinds of  factors on the per for m ance,the guide for t he parameter of design,exper iment and manufacture is ofered.  [KEY WORD] hydrocyclone g ranula r ef iciency separation performance  (上 接 第 5564页)  5 结语  此 ,该系统将在 电力、石油、石化、污水处理等高压 、  高危、高耗能、高污染等行业有广泛 的应用前景 。  参 考 文 献  随着工业现代化及 自动化监 测技术 的发展 ,无  线技术 以低成本 、低功耗及 自组 网等优点将 日渐取  代传统的监测技术 ,将代表着 自动化监测技术 的发  展方 向 。基 于 Zigbee的环 境 监 测 系 统 以较 低 的投  资和使用成本实现对工业 生产 的实 时环境监测 ,采  集各种环境参数 ,并 以此为基础进行设备故 障分析  和生产 优化 控制 ,最 终达 到安 全增 效 的 目的。因  1 凌志浩 ,吴勤勤.Zig,Bee无 线通信 技术 及其 应用 探讨 .自动化仪  表 ,2005;26(06):5-_9  2 高 键 ,方 滨 ,尹 金玉 ,等.ZigBee无线 通信 网络节点设 计与组  网实现.计算机 测量与控 制 ,2008;16(12):1912-1914  3 宁炳武 ,刘军 民.基 于 CC2430的 Zigbee网络节点设计 .电子技术  应用 ,2008;34(3):95--99  4 吴光荣 ,章 剑雄 .基 于 zisBee的高 压 开关 柜无 线温 湿 度监 测系  统.现代电子技术 ,2008;31(20):169—171  Design of the Industrial Environm ent M onitoring Network Node Based on ZigBee  HAO Xia n -feng,LIU Guang—fu  (College of Information and Control Engineering,China University of Petroleum (Huadong),Dongying 257061,P.R.China)  [Abstract] The zigbee technology a nd network topology are introduced.Then an industrial environment monito—  ring network is constructed based on Zigbee.A kind of wireless sensor network nodes is designed f or industria l en—  vironmental monitor ing by using CC2430. Finally,t he communication and data acquisition module in network  nodes a re descr ibed in detail.  [Key words]  envir onment monitoring  WSN  Zigee  CC2430 

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