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基于ZigBee技术的粮库无线压力传感器网络.pdf

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2009年 第 34卷 第 5期  粮 食 加 工  75  基 于 ZigBee 技术 的粮库无 线压力传感器 网络  陈得 民 ,张  元 ,贾德林 ,李  鹏  (1.河 南工 业大 学人 工 智 能研 究所 ,郑 州 450001;2.河 南 航 天 金 穗 电子 有 限 公 司 安 全 产 品研 发 中心 ,郑 州 450004;  3.哈 尔 滨 工 业大 学计 算 机 科 学 与技 术 学 院,哈 尔 滨 150001)  摘 要 :论 述 了基 于 Zigbee无 线 通 迅 技 术 的 粮 库 无线 压 力传 感 器 网络 整 体 设 计 方案 。该 系统 方 案 能 对 大 面积  粮 库 多点 的 压 力 进 行 监 测 ,并将 数 据 传 输 到 PC机 上 进 行 数 据 存 储 与 分析 ,得 出粮 库 粮 食 数 量 。 在 设 备 异 常 情 况 下  还 以 多种 形 式 的 报 警 通 知 相 应 人 员。 同时 系统 具 有 强 大 的 分 级 管理 功 能 ,为 不 同 阶层 的 用 户 管理 提 供 了 一 个 多级  的 管理 、监 控 平 台  关 键 词 :无 线 传 感 器 网络 :ZigBee协议 :CC2430模 块  中 图 分 类 号 :TE341:0242  文 献 标 志 码 :A  文 章 编 号 :1007—6395(2009)05—0075—05  本 系 统 主 要结 构 是 将 集 成 ZigBee模 块 的压 力  传 感器 节 点部署 在 被监 测 的粮 库 中 ,构 成基 于 Zig.  Bee技术 的传感 器 网络 拓 扑结 构 ,部 署 方 法采 用 前  几 章 提 出 的方 法 。每 个 粮库 构 成 一 个 单 独 网 络 ,一  个 传 感 网络 装 备 网关 ,网关 通 过 传 输 网 络把 被 测 数  据 从 传 感 区域 传 到提 供 远 程 连 接 和 数 据 处 理 的 基  站 ,基 站 再通 过 Internet联 到 远 程数 据 库 ,最 后 不 同  阶层用 户通 过终 端得 到 相应 的经 过 处理 过 的数据 。  1  压 力传 感 器 网络整 体 结构  典 型 的压 力 传感 器 网络 的体 系结 构包 括 分布 式  的传 感 器 节 点 、网关 节 点 、互 联 网和 用 户 界 面 等 ll】。  如 图 1所 示 。由若 干 FFD、RFD,一 个 网关 节 点 以及  监控 终端 组成 的 整个 传感 器 网络体 系 结构 。 在传感  器 网络 中 ,节 点布 置在 被监 测 区域 内 ,每个传 感 网络  装备 有 一个 连 接 到传 输 网络 的 网关 。网关 通 过传 输  网络 把被 测数 据从 传感 区域 传 到提 供远 程连 接 和数  据 处 理 的基 站 ,基站 再 通 过 Inter act联 到 远 程 数 据  库 ,最 后采 集 到 的数据 经分 析 、挖掘 后通 过一 界 面提  供 给终 端用 户 。  2  ZigBee协 议 框 架 及 其 网 络 拓 扑 结 构  ZigBee协议 Iz3]是 一 种 低 成 本 、低 功 耗 、低 速 率  嵌入 式设 备 互相 问及 与 外界 网络 通信 的组 网解决 方  案 , 它 是 ZigBee联 盟 基 于 IEEE 802.15.4技 术 标 准  物 理 层 和媒 体 访 问 控 制层 (MAC层 )协 议 ,对 网络 层  协 议 和 API进行 标 准 化 而制 定 的无 线 局 域 网组 网 、  基 金 项 目 :国 家 十 一五 科 技 支撑 计 划 (2006BAD08BO1)  收 稿 日期 :2009—03—09  作 者 简 介 :陈得 民(1982~),男 ,工程 师 ,中 国 计 算 机 学 会 会 员 ,研 究  方 向 :无 线 传 感 器 网络 、传 感 技 术与 人 工智 能 。  图 1  压 力 传 感 器 网络 的 体 系结 构  安 全和 应用 软件 方 面 的技 术标 准 。ZigBee协议 栈结  构 如 图 2所 示 。  会 聚 层  网络层  IEEE802.15.4  IEEE802.2  逻辑 链路控 制层  逻 辑链 路控制 层  IE EE802.1 5.4  媒 质接 入控制 层  869MHz/915MH z/205GHz  物理层  图 2  ZigBee协 议 框 架  在标 准 规范 的制 订方 面 .主要 是 IEEE 802.15.4  小 组 与 ZigBee Alliance两 个组 织 ,两 者分 别 制订 硬  件 与 软 件 标 准 。在 IEEE 802.15.4方 面 .2000年 12  76  粮 食 加 工  2009年 第34卷 第 5期  月 IEEE成 立 了 802.15.4小 组 ,负 责 制 订 MAC与  PHY (物理层 )规范 ,2003年 5月 通过 802.15.4标  准 ;ZigBee建 立在 802.15.4标 准之 上 ,它确 定 了可  数据采集模块 1.1 2c  CC243(){教处理器  ‘  力f々感器集成屯路’I  以在不 同制 造商 之 间共享 的应 用 纲要 。802.15.4仅  仅定 义 了实体层 和介质 访 问层 .并不足 以保 证不 同  的设 备之 间可 以对话 .于是便 有 了 ZigBee联盟 。  j.j V U  l、  1 28 kB 闪存  R kB RAM  2 4( Hz射频收 发器  在 网络 层 方 面 。ZigBee联盟 制 订 可 以采用 星 形  和 网状 拓扑 ,也允许 两者 的组合 ,称 为丛集 树状 。根  图 3  节 点 硬 件设 计  据 节点 的不 同角 色 .可分 为全 功能 设备 (Full—Fune—  用 压力 传感 器 ,电源模 块采用 3V纽扣 电池 。  tion Device;FFD)与 精 简 功 能设 备 (Reduced—Func—  3.1  CC2430模块 的主要 特点  tion Device;RFD)。相较 于 FFD,RFD的电路较 为 简  CC2430芯片延 用 了以往 CC2420芯片 的架构 ,  单 且存储 体容 量较小 。FFD 的节 点具备 控制 器 的功  在 单 个 芯片 上整 合 了 ZigBee射 频(RF)前端 、内存 和  能 。能 够 提供 数据 交 换 。而 RFD则 只 能传 送 数据 给  微 控 制 器 ,如 图 4所 示 。 它 使 用 1个 8位 MCU  FFD或从 FFD接收 数据 。由于大部 分 的节点 只需要  (8051),具 有 128 KB可 编程 闪存 和 8 KB的 RAM,  有数 据传输 的功 能 ,不 需要有控 制 能力 。ZigBee技术  还包 含模 拟 数字转 换 器(ADC)、几 个定 时 器 (Timer)、  将节 点从 器 件上 分 为 3类 :@ RFD(简 化功 能 器件 1。  AES128协 同 处 理 器 、 看 门 狗 定 时 器 (Watchdog  RFD内存 小 ,功耗 低 ,在 网络 中作 为源 节 点 ,只发 送  timer)、32 kHz晶振 的休 眠模 式定 时器 、上 电复位 电  与接 收信 号 ,并 不 起转 发 器/路 由器 的作用 ;② FFD  路 Power On Reset)、掉 电检测 电路(Brown out detec.  f全功 能器件)。在 网络 中,FFD是具 有转 发与路 由能  tion),以及 21个 可编程 I/O 引脚 。CC2430芯片采 用  力 的节点 。拥 有 足够 的存 储空 间来存 放路 由信 息 ,并  0.18/zm CMOS工 艺 生产 ;在 接 收 和发射 模 式 下 .电  且处 理 控制 能 力 也相 应 地增 强 ;③ 网络 主机 或 网  流损 耗分 别低 于 27 mA 或 25 mA。CC2430的休 眠  关 。ZigBee还 支 持第 3种节 点 ,即网 络 主机 或 网关  模式 和转换 到 主动模 式 的超 短 时间 的特 性 .特 别适  节点 ,起 到 与外部 系统接 口或 协调与 其它 网络 的路  合那些 要求 电池 寿命非 常 长的应用 。  由作用 。FFD有 时起 网关 的作用 。一个 网络 只需要 一  个 网络 协 调者 ,其 他 终端 设 备 可 以是 RFD,也 可 以  是 FFD。RFD的价格 要 比 FFD便 宜 得多 ,其 占用 系  瓣  —墨圈瞄墨—瞄圉 等  …  ■墨 暖圜 ■ ■—翻—■ ● ■■■ 一   ■暖嘲啊 ■曩曩_   棚  统 资源仅 约为 4 kB,因此 网络 的整 体成 本 比较 低 。  ZigBee协议 套 件 紧凑 且 简单 ,具 体 实 现 的硬 件需 求  很 低 ,8位微处 理 器 80c51即可满 足要 求 ,全 功 能协  议 软件需 要 32 K字节 的 ROM。最 小功 能协 议软 件  需 求大约 4 K字 节 的 ROM。  3  硬 件 设 计  无线传 感器 网络 的节点 由传感 器模块 、处 理器  模块 、无 线通 信模 块 和 电源模 块 构 成I4.5J。节 点 的硬  件原理 框 图如图 3所示 。处理器 模块 和无线 通信模  块 采用 CC2430芯片,CC2430是 一 个真正 的 系统 芯  片 f SoC),它包 括 了一 个 高性 能 的 2.4 GHz DSSS(  直 接 序 列 扩 频 )射 频 收发 器 和 高 性 能 、低 功 耗 的  8051微控 制器 核 。CC2430芯片采 用 0.18/.tm CMOS  工 艺生 产 ,工 作 时 的 电流 损 耗 为 27 mA;在 接 收 和  发射 模 式 下,电流损 耗 分 别 小 于 27 mA 和 25 mA。  CC2430的休 眠模 式 和转换 到 主 动模 式 的超 短 时 间  的特 性,特 别 适合 无线 传感 器 网络 的应 用 .大 大 简  化 了射 频 电路 的设计 。传感 器模 块采用 集成粮 库专  图 4  CC2430芯 片  CC2430芯 片 具 有 高 性 能 和 低 功 耗 的 8051微  控制 器 核 ;集 成符 合 IEEE802.15.4标 准的 2.4 GHz  的 RF无 线 电收发机 :优 良的无 线接 收灵敏 度和 强  大 的抗 干扰性 ;在休 眠模 式时仅 0.9  的流耗 ,外  部 的 中 断或 RTC 能 唤 醒 系统 ;在 待 机 模 式 时 少 于  0.6  的流 耗 ,外 部 的 中断 能 唤 醒 系统 ;硬 件 支持  CSMA/CA 功 能 ;较 宽 的 电压 范 围(2.0—3.6 V);数 字  化 的 RSSI/LQ1支持 和 强 大 的 DMA 功能 ;具 有 电池  监 测 和 温 度 感 测 功 能 ;集 成 了 14位 模 数 转 换 的  ADC;集 成 AES安 全 协 处 理器 ;带 有 2个 强 大 的支  持 几 组 协 议 的 USART。1个 符 合 IEEE 802.15.4规  2009年 第 34卷 第 5期  粮 食 加 工  77  范 的 MAC计 时器 ,1个 常规 的 l6位 计 时 器 和 2个  8位 计 时器 ;以及 强 大 和灵 活 的开发 工 具 。  3.2 传感 器 模块  图 5是 压力 传 感 器外 接 电路 ,通 过 外 接 电路 与  ZigBee模 块连 接 。J300为压 力传 感器 。  图 5  压 力 传 感 器 模 块  3.3  ZigBee模 块   CC2430芯 片 需 要很 少 的外 围部 件 配合 就 能实  现 信号 的收发 功 能 。 图 6为 CC2430芯片 的 硬件 外  接 电路 。  图 6  CC2,430外 接 电 路  电路使 用 一个 非 平衡 天 线,连 接非 平 衡 变压 器  可使 天 线性 能 更 好 。非 平 衡 变 压器 由电 容 C341和  电感 L341、L321、L331以及 一 个 PCB 微 波 传 输 线  组 成 ,整 个 结 构 满 足 RF输 入/输 出 匹 配 电阻 (50 Q)  的要 求 。内部 T/R 交换 电路 完成 LNA 和 PA之 间 的  交换 。R221和 R261为偏 置 电阻 ,电阻 R221主要 用  来 为 32 MHz的 晶振 提 供 一个 合 适 的工 作 电 流 。用  1个 32 MHz的石 英 谐 振 器 (X rAL1)和 2个 电容  (C191和 C211)构成 一个 32 MHz的晶振 电路 。用 1  个 32.768 kHz的石 英 谐 振 器 (XTAL2)和 2个 电容  (C441和 C431)构 成 一 个 32.768 kHz的 晶振 电路 。  电压调 节 器 为所 有要 求 1.8 V 电压 的引脚 和 内部 电  源供 电 ,C241和 C421电容 为去 耦 合 电容 ,用来 电源  滤波 ,以提高 芯 片工 作 的稳定 性 。  3.4 CC2430软件 编程  下 面 给 出在 32 MHz系 统时钟 下 。用 DMA 向 闪  存 内部 写入 程序 的 源代码 。  MOV DPTR,#DMACFG:为 DMA 通 道结 构设 定一  个 带 有地 址 的数 据指针 ,  开始 写入 DMA 结 构  M0V A,#SRC HI;  — M0VX @ D  R .A  源数 据 的高位 地 址  INC D}yrR  MOV A,#SRC LO ;  — MOVX @ DIyrR.A  源数 据 的低位 地址  INC DPrR  M OV A。撑0DFh:  高 位地址 的定义  MOV X@DPTR.A  INC DPTR  MOV A,#0AFh;  低位 地址 的定义  MOVX @DIyrR.A  INC D  R  MOV A,#BLK LEN ;  — MOVX @ DPTR.A  数 据 的长度  INC DPrR  MOV A.}}012h :  使 用  8位 ,单模 式 ,Flash触 发器  MOVX @ DPTR.A  INC DPTR  M 0V A。#042h :  M0VX @DPrR.A  屏 蔽 中断 。DMA 高通 道优 先  MOV DMA0CFGL,#DMACFG LO ;为 当 前 的 DMA  — 结 构设 置 开始地 址  M0V DMA0CFGH.#DM ACFG HI  MOV DMAARM,#01h: 设 置 DMA 的 0通 道  M0V FADDRH。#00h:  设 置 闪存 高位地 址  MOV FADDRL。#01h:  设 置 闪存 低 位地 址  MOV FWT,#2Ah:  设 置 闪存 计 时  MOV FCTL,#02h;  开 始 向闪存 写程 序  3.5 CC2430无 线模 块结 构  调试 接 口用 于 下 载 、调 试 程序 。CC2430模 块 与  仿 真 器 扁 平 电缆 连 接 情 况 如下 图 7所 示 。CC2430  模 块上 提供 了两个 LED 指 示灯 ,可 显 示 当前 程序 的  简单 信 息 ,以判 断程 序执 行 情 况 。其 中 :LEDl由  P1.0控制 ,LED2由 P1-3控制 。  78  粮 食 加 工  2009年 第34卷 第 5期  图 7  CC2430无 线模 块 结构  图 9  主 程 序 处理 流 程 图  4  软 件 设 计  用户 程序 运行 中作 自身 的更新操 作 ,需 要在设  节 点软件 设计采 用 了 TinyOS操 作系 统 .专为嵌  计 固件程 序 时编写 两个项 目代码 ,第 一个项 目程序  入式 无线 传感器 网络 而设计 ,是 一款 自由和 开放 源  不执 行正 常 的功 能操 作 ,而只是 通过 通信管 道接收  码 的平 台。它采 用面 向元件结 构 ,确保快 速响应 和执  行 ,同时减 小 了代 码量 。以适应 无线 传感 器 网络严 格  的存储 空 间需 要 。它运 行在每个 网络节点 上 ,是其 他  程序 或数 据 ,执行 对第 二部 分代码 的更 新 ;第 二个项  目代码 才是 真正 的功 能代码 。这 两部分 项 目代 码都  同时烧 录 在 User Flash中 .当芯片 上 电后 ,首先是 第  上层应 用和协 议运 行 的前提 。其 操作 系统 、库和程 序  一 个项 目代码 开始 运行 。操作 如下 :① 检查是 否需要  服务程 序是 用 nesC 写 的。nesC是一 种 开发组 件 式  对第 二部 分代码 进行 更新 :② 如果不 需要更 新则转  结 构 程 序 、具 有 C语 法 风格 的语 言 ,其 组 件 层 次 结  构 就如 同一个 网络协 议栈 ,底层 的组件 负责接 收 和  发送 原始 的数 据位 .而高层 的组 件对这 些数据 进行  到④ ;③执行更新操作④跳转到第二部分代码执行。  第一 部 分 代码 必 须 通 过其 它 手 段 ,如 JTAG或 ISP  烧 人 :第 二 部 分 代 码 用 第 一 部 分 代 码 IAP功 能烧  编码 、解码 。更 高层 的组 件 负责 数 据 打包 、路 由和传  入 ,以后 需要 程 序更 新 时再 通 过第 一 部分 lAP代 码  输数 据 。组 件用接 口互 相连 接 。TinyOS为普通 的抽  更 新 。第 二 部分 代码 开 始执 行 时 ,首先 需 要把 CPU  象描 述提 供 了接 口和组 件 ,例如 数 据包 通信 、路 由 、  的 中断 向量表 映像 到 自己 的向量表 ,然后 再执行其  感 知 、行 为和储 存 。  它 的操作  无 线传感 器节 点 的应 用程 序采用 nesC编写 。分  5  网 关 设 计  为数据 采集 、电池 能量检 测 和无 线通 信 3个 设计 模  块 。无 线路 由节点 和无线 终端 节点 比无线终 端节 点  在 本 设 计 方 案 中 ,需 要 将 基 于 ZigBee技 术 的 粮  多 一个数 据汇集 和上 传 的功 能 。其 启 动代码 流程 图  库 无线 压力传 感器 网络 与 以太 网互 联 ,把 传感 器 网  如 图 8所 示 。主程 序处 理流 程 图如 图 9所 示 。  络 中监 测点 的压力 数据 发送 到监测 中心 主机进行 分  析 和显示 。而 ZigBee网关 就是 实现将 传感 器 网路 与  以太 网互 联 的功 能,担 当 ZigBee网络和 以太 网 的协  议转 换 。ZigBee网关 由下 列部分 组成 :内部 集成 符  合 IEEE 802.15.4标准 的 2.4 GHz射 频 (RF)收发 器  的 CC2430无 线 单 片 机 :采 用 ARM 核 的 Sam.  sungS3C44BOX 微 控 制 器 :AX88796以太 网控 制 器  芯 片  6  监 控 终 端 软 件 设 计  图 8  启 动 代 码 流程 图  本 系统 中 ,上层管 理 软件采 用三层 C/S模 式 ,实  时对 传感 器 网络 送 来 的数 据进 行处 理 阎。形 成 用 户  2009年 第34卷 第 5期  粮 食 加 工  79  最 终关 心 的数 据表 现形 式 。局域 网内 的终端 用户 在  经 过授 权 后 .可 以读 取 监控 主 机 上 的实 时 数 据 ,实  现 远程 的监 测 。监控 应用 软件 还 对传 感器 网络 中的  每个 节点 进行 跟 踪 管理 。对 于 监 控 到异 常 情 况 ,上  层 管理 软 件使 用声 光 、短信 、电话 实 时报 警方 式 。可  显示 参 数 列 表 、实 时 曲线 图 (对 应 具 体 数 值 并 任 意  调 整 坐 标 )、实 时数 据 、折 算 数 据 、累计 数 据 、历 史 、  报 警 画面 、报 表 等多 种 显示 。统计 功 能 可 根据 用 户  需 求具 体设 计  7  结 论  该 无 线压 力传 感 器 网络 以低 成本 、低 功耗 的无  线 单 片机 CC2430为 核心 ,采 用 粮 库专 用 传 感 器 获  取 数据 ,电路结 构 简单 、工作 稳 定 可靠 、检测 精 度  高 ,且 具 有 无 线数 据 通 信 灵 活 方便 等 特点 ,特 别 适  用 于工 业 现场 环境 、监 测 封 闭空 间和其 它 需 要 多 点  监 测 的特殊 场合 。该 网络 的应用 极 大地 提高 了 中央  储备 粮管 理 水平 ,降 低 了管理 成本 ,通 过更 全 面地 了  解储 粮粮 情 ,提 高 了中 央储备 粮 的安全 性 。  参 考 文献 :  [1】任 丰原 ,黄 海 宁 ,林 闯 .无 线 传 感 器 网 络 [J].软件 学 报 ,  2003,14(7):1282一l291.   【2】ZigBee Alliance.Catch the buzz on ZigBee[DB/OL].(2007—  02—1 1)[2009-02—02]http://www.ZigBee.Org/erdresources.  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Granary W ireless Sensor Network Based on ZigBee Technology  CHEN De~min ,ZHANG Yuan ,JIA De—lin ,LI Peng。  (1.Artificial Intelligence Graduate School,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,P.R.China;  2.Research Center,Henan Aerospace Jinsui Electronics Co。Ltd,Zhengzhou 450001,P.R.China;  3.College of Computer Science,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001,P.R.China)  Abstract:This paper mainly discussed the wireless pressure sensor network depot overall design based on the  Zigbee based wireless communication technology .The system monitor arge area multi—point grain pressure val—  ues, transfer data to PC,storage and analysis of data,f inally get quantity of food in grain depot.Abnormalities in  the equipment cases,various forms of alarm  to notify the appropriate personne1.At the same time,the classifica—  tion system has a powerful m anagement capabilities for different sectors of the user managem ent to provide a mul-  ti-level management,monitoring platform .  K ey w ords:wireless sensor network;ZigBee Protocol;CC2430 module  (上 接 第 74页 )中 国轻 工 业 出版 社 ,1997.  【2】毛 宁 ,洪 智 勇 .红 曲 固 态发 酵 产 生 降 脂 物 质 的 研 究 [J].福 建  师 范 大 学 学 报 ,2003,19(3):58-60.  【3]董 群 意 .红 曲 霉 产 生 的 生 理 活 性 物 质 研 究 进 展 [J].食 品科   学 ,2003,24(1):163—167.  [4】杨 春 花 ,刘 刚 ,张崇 禧 ,等 .刺 五 加 的研 究 进 展 【JJ.人 参 研 究 ,  2004,(1):17-20.  [5】李 庆 勇 ,付 玉 杰 ,吕欣 ,等 .超 声 法 提 取 刺 五 加 (Acantopana—  xsenticosus)中 丁香 苷 的研 究 [J].植 物 研 究 ,2003,23(2):182.  Development 0f Red Yeast Rice Oral Liquid of Lowering Blood Pressure  LV Mei,QI Shen,LIU Chun-de,HE Huan,LIU Dan  (Shenyang Grain and Oil Food Science Institute,1 10025 Shenyang,P.R.China)  Abstract:In this paper,we screen the functional monascus of abundant Monacolin k without citrinin.The opti—  mum fer m entation culture medium and condition,content of monacolin k as the index,was deter m ined by o ̄hog.  onal design method.The optimum fer m entation cuhure medium and condition as follows:content of added glyc—  erol is 0.4% ,content of added sodium nitrate is 0.2% ,quantity of r ice is 50 g/50o mL,fer m entating at 32 ℃ for  2d,then fer m entating at 28 ℃ for 12 d.W e find the optimum way to extract the antihypertensiVe substance is to  be immersed in 45% ethanol at 65 oC in water bath for 35 min.and the ratio of extracting is 300 mL/g.  K ey words:M onacolin k;citrinin;solid state ferm entation;Acanthopanax senticosus;red yeast ricer oral liquid  of lowering blood pressure 

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