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基于ZigBee技术的粮仓测温系统.pdf

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基于ZigBee技术的粮仓测温系统.pdf

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基 于ZigBee技 术 的粮 仓 测 温 系 统  一 西 华 大 学机 械 工 程 与 自动 化 学 院  王 萌 黄 惟 公 文 先仕 李 吉 成  摘 要  介绍了一种基于z gBee技术的无线粮仓测温系统 。该系统具有 无线 、省电、抗干扰性强  等特点 。本文重点 阐述 了该系统的构成、ZigBee技术和CC2430芯片的特点 ,以及节点 、路由  器 、协 调 器 的硬 件 结 构 和软 件 流 程 图 。  关键词 :无线粮仓测温系统 ZigBee CC2430  DS1 8B20  中 国人 多地 少  农 业 资 源 存量 不  成 。由于粮仓一般封 闭性较好  不 利于信 号的传递 .我们在每个粮仓制高  足  人 均 粮 食 资 源 占有 量远 远 低 于 世  点 布 置 一 个 发 送 模 块 作 为 路 由器 使 用 ,接 收 该 粮 仓 内 的信 号 并 向 协 调 器 发  界 平 均 水 平 .粮 食 是 关 系到 国 家安 全  送。由于一些大型粮库可能 占地上百亩 .包含 数十个粮 仓 ,对 于这 么大的  的重要战略物质 .因此粮食 的安全 问  空 间  发 送 模 块 的 传 输 距 离 有 限 , 因此 每 个 路 由器 还 可 作 为 中 继 站 使 用  题非常重要。本 文就介绍 了一种无线  路 由器 之间可以传输 数据 ,传输到可直接与协调器通信√二的 距离 .再_一   _向控 制  粮仓测温系统  监控粮仓 的温度  保  室 的协 调 器 (接 收 模 块 )发 送 数 据 信 号  协 调 器 将 信 号 发 送给 控r制  室 的PC  障 粮食 安 全 。  机 ,进 行监 控 。  一  1 系统 架构  m  警  现 在 国 内的 粮 情 监 控 系统 一 般 采  用 c A N总线 或 R¥485总 线 进 行 数 据 传  输 。 综 观 国 内粮 仓 测 温 系统 ,粮 仓 内  都 少 不 了粮 温 信 号 处 理 器 .都 必 须 由  市 电供 电 .测 温 电缆 一 般 由 若 干 根 电  线 连 在 一 起 再 接 到 仓 内 的粮 温 信 号 处  理 器 上 .粮 堆 上 面 少 不 了 众 多信 号 电  缆 、供 电 电 缆 .不仅 增 加成 本 ,而 且  图 1系 统 架 构 图  安 装 、维 护 都 比较 困难 。  本系统 为了使设备简单 、成本低  2 ZigBee 技 术 简介  廉 和维 护 方 便 ,采 用 了最 近 国 际 上 流  行 的ZigBee无线技术 。图1为本系统的  ZigBee技 术 的特 点 包括 以下 几 个 方 面 :  结 构 框 图 。 在 粮库 中存 在 数 个粮 仓  (1)省 电 两 节 五 号 电池 即可 实 现 长达 6个 月到 两 年 的使 用 时 间 。  在 每 个 粮 仓 中 ,可 以在 不 同位 置 放 置  (2)可 靠 采 用 了碰 撞 避 免机 制 ,同 时 为需 要 固 定 带 宽 的通 信 业 务 预  数个温度采集节点 ,每个节点 由一个  留了专用时隙  避 免了发送数据时的竞争和;中突:节点模块 之间具 有自动  发 送 模块 、一 个 温 度 采 集 模 块 和 数 个  动态组网的功能 ,信息在 整个ZigBee网络 中通过自动路 由的方式进行传输 ,  DS1 8B20 (测 温 传 感 器 ,一 般 一个 温  从而保证 了信息传输 的可靠性。  度 采 集 模 块 最 多接 8个 D S1 8B20)组  (3)时 延 短 针 对 时 延敏 感 的 应 用 作 了优 化 .通 信 时 延 和从 休 眠 状 态  激 活 的时 延 都 非 常 短 。  成 .这 3根 线 中 的 一 根 是 电 源 线 (VCC),一 根 是 接 地 线 (GND) 第 三 根 是 信 号  (4) 网 络 容 量 大 可 支 持 多  线  这 就 是 “ONE W ARE” 总 线 。 测 温 传 感 器 DS1 8B20焊 接 到 这 三 根 线 上  达 65535个 节 点 。  加 一 根 钢 丝  一 起 塑 封  形 成 一 根 电 缆 ,就 构 成 了 测 温 电 缆 。 加 钢 丝 的 目 的  (5)安 全 :ZigBee提 供 了 数 据  是 为 了 增 加 电 缆 的 抗 拉 强 度 。 这 样 的 测 温 电 缆 抗 熏 蒸 、 抗 拉 、寿 命 长 。 按  完 整 性 检 查 和 鉴 权 功 能 ,加 密 算 法  照 需 要 将 测 温 电 缆 放 置 在 粮 仓 的 不 同 位 置 . 即 可 监 控 粮 仓 的 温 度 。 在 这 里  采 用 通 用 的AES-1 28。  我 们 需 要 注 意 一 个 问 题 ,在 每 个 测 温 电 缆 上  是 否 可 以挂 任 意 多 个 D s1 8B20  (6) 高 保 密 性 :64位 出 厂 编  呢 7 通 过 试 验 , 我 们 发 现 当 单 总 线 上 所 挂 D S1 8B20超 过 8个 时 ,就 需 要 解 决  号 和 支持 AES 1 28加 密 。  微 处 理 器 的 总 线 驱 动 问 题 。 因 此 我 们 在 每 根 测 温 电 缆 上 只 能 接 8个 以 下 的  DS1 8B20。在 这 里 我 们 在 每 个 测 温 电 缆 上 串 接 4个 DS1 8B20。 每 个 温 度 采 集 节  3 尢 线 粮 仓 测 温 系 统  点上 接8根测温 电缆 。每根 电缆长 6m,每个Ds1 8B20间 隔1 5m。每 根测温 电  的模 块 设 计  缆 间 隔 0 5m。 这 样 每 个 温 度 采 集 节 点 就 可 以监 控 4m ×6m的面 积 。例 如 一 般  的 桶 仓 直 径 为 8米  高 20米 。 若 在 仓 顶 、仓 底 各 留 1m的 高 度 ,这 样 3 X 4个 温  本 文 设 计 的无 线 粮 仓 测 温 系 统  度 采 集 节 点 就 可 以监 控 这 个 桶 仓 的 温 度 。  不 必 在粮 仓 中 布 置 大 量 的 信 号 电缆  由于 在 一 个 粮 仓 中 需 要 很 多 的 测 温 节 点 ,且 这 些 节 点 可 能 会 随 时 布 置 到  和 供 电 电 缆 .只 需 在 模 块 中 安 装 几  不 同 的 位 置 ,怎 样 识 别 这 些 节 点 是 一 个 问 题 。 若 用 软 件 来 实 现 很 麻 烦  需 要 改  枚 干 电池 就 可 以 工 作 6个 月 到 两 年  变 程 序 ,要 聘 请 专 门编 程 人 员 。在 此 我 们 在 每 个 节 点 上 安 装 了 一 个 8位 拨 码 开  时 间 一不 仅 减 少 了布 线 的麻 烦 ,而  关 .它可 以对 256个 节 点 进 行 编 码识 别 ,可 以 满足 一般 粮 仓 的测 温 需 求 。  且 减 少 了成 本  还 可 以避 免 由 于 布  CC2430芯 片是 由挪 威Chipcon公 司生 产 的一 款 符 合 IEEE802 1 5 4协 议 的2 4GHz  线 过 多 引 起 的 火 灾 等 安 全 隐 患 。  的射 频 芯 片 。 它使 用 1个 8位MCU (8051) 、具 有32/64/1 28kB可 编程 闪存  ̄U8kB的  该 无线 粮 仓 测 温 系 统 的模 块 分  RAM  还 包 含模 /数 转 换 器 (ADC) 、几 个 定 时 器 (Time r)  AES1 28协 同处 理  为 温 度 信 号 采 集 节 点 模 块 、 路 由 器  器 、看 门狗 定 时器 (WatchDog Timer) 、32kHz晶 振 的休 眠模 式定 时器 、上 电复  模 块 和 协 调 器 模 块 三 种 。  位 电路 (Power On Reset) 、掉 电检 测 电路 (Brown Out Detection) 以及 21个 可  编 程 l/o引 脚 。该 芯 片 具 有 以 下特 点 : ①高 性 能 和 低 功 耗 的8051微 控 制 器 核 。  3.1 温 度 信 号 采 集 节点 模  ②集成符合I EEE802 1 5 4标准的2 4GHz的RF无线电收发机 。③优 良的无线接收  块 的 硬 件 没 计  灵 敏 度 和 强 大 的 抗 干 扰 性 。 ④ 在 休 眠 模 式 下仅 0 9uA的 电流 损 耗  外 部 的 中断  温 度 信 号 采 集 模 块 由 数 个  或 RTc能 唤 醒 系统 .在 待 机 模 式 下低 于0 6uA的 电 流 损 耗  外 部 的 中 断 能 唤 醒  D s1 8B20温 度 采 集 芯 片 、8位 拨 码 开  系 统 。 ⑤ 较 宽 的 电压 范 围 (2 0V~3 6V) 。 ⑥zl  gB ee/802 1 5 4全 兼 容 的 硬 件  关 、 电 源部 分 、 天线 部 分  ̄DCC2430  层 、物 理 层 等 。  芯 片 等 组 成 。下 面 为 一 个 温 度 信 号  CC2430芯 片 的 这 些 特 点 使 得 该 模 块 具 有 体 积 小 、 内 嵌 网 络 通 信 协 议 , 符  采 集节 点模 块 的 组成 框 图 。  合 zI gB ee网 络 层 的标 准  为 I E E E 802 1 5 4 标 准 兼 容产 品 ,可 实 现 高 效 率 发  射 ,高 灵 敏 度 接 收 ,节 电  无 线 数 据 速 率 高 达 2 50k bit/s的特   点 。  C c2434 ̄)  3.2 路 由器 模 块 和 协 调 器 模 块  路 由器 模 块 在 温 度 信 号 采 集 节 点 模 块 的 基 础 上 省 去 了8位 拨  码 开 关SDDSl 8B20。而 协 调 器 模 块 在 温 度 信 号 采 集 节 点 模块 的基  础 上 省 去 了8t2_拨 码 开 关和 DS1 8B20,添 加 了 串 口部 分  便 于 将  信 号 传 输 给 Pc机 。  图 2 简 单 的 温 度信 号采 集模 块   D S1 8B20测 温 采 用 了测 温 电  4 程序 流程   缆 的 方 式 。 测 温 电 缆 由 测 温 传 感  器 D S1 8B 20用 3根 线 串 联 起 来 构  4.1  温 度 信 号 采 集节 点 模 块 的 程 序 流 程  发 送 给 PC机 。 因 此 协 调 器 是 该 系 统 中 最 重 要 、 最 核  心 的 部 分 。但 也 由于 其 工 作 量 大 .需 要 长 时 间开 机  工作 . 因此 耗 电 量较 大 。  协 调 器 在 工 作 时 首 先 要 初 始 化 参 数 .对 串 口  初 始化 ,然 后 根 据 需 求依 次 接 收 各 个 节 点 的 温 度 信  号 ,通 过 串 口发 送 给PC机 .PC机 通 过 显 示器 显 示 十  进 制 数 据 ,达 到 远 程 无 线监 控的 效 果 。  图3温度信号采集节点模块的程序流程 图  图3为 温 度 信 号 采 集 节 点 模 块 的  软 件 设 计 流 程 图 。 首 先 节 点 、 路 由  器 、协调 器 通 过 ZigBee 2006通信 协 议  组 成 了一 个 网状 网络 。来 自协 调 器 的  命 令 激 活 各 个温 度 采 集 节 点 ,依 次 询  问温 度 :各个 温 度 采 集 节 点 将 温 度 信  号 发 送给 对 应 的路 由器 ,完 成 后 进 入  睡眠 状 态 :信 号 在 路 由 器 之 间 传 递 ,  最终 由距 离 协 调 器 最 近 的 路 由 器 将 数  据 发 送 给 协 调 器 ,将 收 集 到 的 温度 信  号 通 过 串 口发 送 给 控 制方 的PC机 ,达  到 控 制效 果 。  在 这里 .温度 采 集节 点 模块 被  5 结束 语  从 睡 眠状 态 激 活 以后 ,初 始 化 系 统 参  图4协 调 器 的 程 序 流 程 图  数 ,复 位DS1 8820  读 取 温 度 数 据 。  本 文 介 绍 了基 于 AT89C51单 片机 和zigBee技术 的无 线粮 仓 测 温 系 统 。 由  之 后立 即开 始 发 送 节 点 地 址  等 待 路  于 其 具 有 低 成 本 、 低 功耗 、 较 大 覆 盖 范 围 的 特 性 , 将 成 为粮 仓 测 温 领 域 的  由器 响 应 ,而 后 发 送 数 据 长度 ,确 认  一 个 新 亮 点 。该 系 统 虽 然是 为粮 仓 测 温 设 计 的  但 是 在 工 业 、农 业 、 医学  长 度 后 路 由 器可 以预 留合 适 的空 间存  等 需要 对 温 度进 行 监 控 的领 域 有 广 泛 的应 用空 间 。  储 数 据 而后 接收 数 据 .接 收 校 验 码 。  本 文 的 创 新 点在 于 通 过zigBee技 术 使 粮 仓 测温 系统 具 有 无 线 、省 电的特  至 此 ,本次 发送 任 务 结 束  进 入 睡 眠  点 ,减 少 了 布线 的麻 烦 。 同 时 由于 在 监 控 室就 可 以 实 现 远 程 监 控 ,节 省 了  状 态 ,节 省 电源 。而 路 由器 接 收 下 一  不 少 人 力 、物 力 。  啊  发 送 模 块 的 数 据 ,并 将 刚 接 收 的数 据  发 送 给 协调 器 。  4.2协 调 器 的程 序 流程  协 调 器 的软 件 设 计 流 程 图 如 图 4  所 示 。协 调 器 负 责 接 收 所 有 路 由器 发  送 来 的温 度 信 号 ,控 制 各 路 由 器 ,从  而 问接 控 制 各 个 节 点 的 工 作状 态 ,避  免碰撞 .对采集到的数据进 行处理 ,  参 考 文 献  【j】瞿雷 ,刘盛德,胡成斌 .z Bee技术及应用【M】.北京航空航天大学出版社.2007.9  f2】金纯,罗祖秋 ,罗凤等.ZigBee技术基础 及案例分析m j.国防工业出版社.2008.1  【3】黄惟公,邓成中,王燕.单片机原理与应用技术【M】.西安电子科技大学 出版社 .2007.8 

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