ZigBee糧倉(cāng)無線測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、基于 ZigBee 的糧倉(cāng)無線測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)金曉龍（廣東女子職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用設(shè)計(jì)系 ,廣東廣州511450）摘要： 采用 ZigBee 技術(shù)， 提出一種結(jié)合 ATmega128L單片機(jī)、 CC2420射頻芯片和 VB.NET技術(shù)實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)無線測(cè)溫系統(tǒng)的硬件體系和軟件實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)糧倉(cāng)溫度、無線傳輸數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)顯示及報(bào)警，能實(shí)現(xiàn)各種糧倉(cāng)管理功能， 與傳統(tǒng)的有線糧倉(cāng)測(cè)控系統(tǒng)相比，具有性能穩(wěn)定，易于布設(shè)、維護(hù)、擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞： ZigBee ；三層結(jié)構(gòu)；CC2420芯片； VB.NET中圖分類號(hào)：TP273Design of Wireless Measure and Control Sy

2、stem in GrainStorage Based on ZigBeeJin Xiaolong（Guangdong WomensPolytechnic College, Application and DesignD）epartment, Guangzhou 511450,ChinaAbstract ： Based on ZigBee,a new designof wirelesstemperature measure and controlsystem combined with ATmega128L,CC2420,VB.NET technology is put forward.Theh

3、ardware architecture and software realization of the system are presented. Thesystem can measure granary temperature on real time,transmit data by wirelesscommunication, dynamic display and alarm, complete various functions of granarymanagement.Compared with traditional wire grain inspection system,

4、 this system isof stable performance,is easy to layout, maintenance, expansion and so on.Key words ： ZigBee ； three-tier structure；CC2420 chip ； VB.NET0 引言糧倉(cāng)測(cè)溫系統(tǒng)采用電子、計(jì)算機(jī)、 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)糧庫(kù)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，防止由于溫度超標(biāo)引起糧食發(fā)熱、霉變，若出現(xiàn)超標(biāo)， 則及時(shí)報(bào)警、 定位超標(biāo)位置、 開啟通風(fēng)設(shè)備降溫。糧倉(cāng)測(cè)溫系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)糧庫(kù)管理功能， 合理調(diào)整糧食的收購(gòu)、儲(chǔ)藏、 調(diào)運(yùn)等各項(xiàng)指標(biāo)，提高糧庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益。 目前糧倉(cāng)測(cè)溫系統(tǒng)多采

5、用有線通信和外部電源供電的結(jié)構(gòu)， 系統(tǒng)存在著布設(shè)困難、 故障率高、難以維護(hù)等缺陷， 經(jīng)常會(huì)發(fā)生由纜線引入雷擊、 糧食倒倉(cāng)時(shí)機(jī)械損壞線路、 鼠害損壞線路、 熏蒸損壞連接節(jié)點(diǎn)等事件。采用無線通信技術(shù)和電池供電可以解決上述問題，通過無線方式可以免去數(shù)據(jù)線、電源線的布置，使系統(tǒng)具有更好穩(wěn)定性、靈活性，易于維護(hù)及擴(kuò)展。1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第一層機(jī)房打印機(jī)上位機(jī)通信機(jī)通風(fēng)控制測(cè)溫分測(cè)溫分機(jī) 1#機(jī) N#倉(cāng)外溫度感器糧倉(cāng)整體第二層第三層糧倉(cāng)內(nèi)部測(cè)溫下測(cè)溫下1#倉(cāng)溫度檢測(cè)位機(jī) 1#位機(jī) N#溫協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)度傳路由節(jié)點(diǎn)感器終端節(jié)點(diǎn)圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖采用三層結(jié)構(gòu)，如圖1。第一層是上位機(jī)，通過通信機(jī)與各糧倉(cāng)

6、分機(jī)無線通信，尋呼各分機(jī)， 接收并處理來自各分機(jī)的數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)不滿足協(xié)議要求，丟棄并重新接收，動(dòng)態(tài)顯示處理后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 若某位置溫度超標(biāo)則及時(shí)報(bào)警、突顯超標(biāo)位置，另外，上位機(jī)還可以實(shí)現(xiàn)糧倉(cāng)的各種管理功能，打印、 備份數(shù)據(jù)或利用網(wǎng)絡(luò)傳到遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)。第二層是分機(jī)， 每個(gè)糧倉(cāng)設(shè)置一臺(tái)分機(jī)， 每臺(tái)分機(jī)通過無線通信與倉(cāng)內(nèi)的若干下位機(jī)相連，各下位機(jī)將采集的倉(cāng)內(nèi)、倉(cāng)外數(shù)據(jù)發(fā)送給分機(jī)，分機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)做初步處理，若出現(xiàn)超標(biāo)， 開啟通風(fēng)設(shè)備降溫， 最后，將處理完數(shù)據(jù)打包發(fā)送給上位機(jī)。第三層是下位機(jī)， 一個(gè)倉(cāng)內(nèi)可以有若干個(gè)下位機(jī)，下位機(jī)負(fù)責(zé)采集溫度數(shù)據(jù)并打包無線上傳給分機(jī)，每個(gè)下位機(jī)通過電纜連接若干測(cè)溫傳感器，其測(cè)溫

7、傳感器埋于糧食中、置于倉(cāng)內(nèi)或倉(cāng)外，用來檢測(cè)糧食內(nèi)部溫度、倉(cāng)內(nèi)及倉(cāng)外環(huán)境溫度。上位機(jī)程序采用 VB.NET編寫，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)環(huán)境設(shè)置、 接收并檢驗(yàn)來自主機(jī)的數(shù)據(jù)、 完成數(shù)據(jù)與溫度轉(zhuǎn)換、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示及報(bào)警，以及完成存儲(chǔ)、打印、糧倉(cāng)各種管理功能。上位機(jī)與通信機(jī)之間采用 RS232方式通信，通信機(jī)與各主機(jī)、各主機(jī)與對(duì)應(yīng)倉(cāng)內(nèi)下位機(jī)之間采用無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。主機(jī)、下位機(jī)采用ATmega128L 芯片，無線通信采用CC2420芯片，下位機(jī)使用 SHT11型溫度傳感器。2 無線通信及數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計(jì)ZigBee 是一種近距離、低功耗、低成本、 低傳輸速率的無線收發(fā)技術(shù)，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議符合技術(shù)

8、標(biāo)準(zhǔn)，它廣泛運(yùn)用于工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、家居智能化控制和醫(yī)療設(shè)備控制等，目的是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制。ZigBee 的通信距離通常為 10m，可擴(kuò)大為約 300m，可覆蓋一定限度的工作范圍。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由大量部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠協(xié)同地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域中對(duì)象的信息， 并傳送給觀察者。一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，它負(fù)責(zé)發(fā)起建立新的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以及存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)信息等，網(wǎng)絡(luò)形成后也可以執(zhí)行路

9、由功能。路由節(jié)點(diǎn)可以參與路由發(fā)現(xiàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā)、 通過連接別的節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍等。終端節(jié)點(diǎn)通過協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)或者路由節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)，但不允許其它任何節(jié)點(diǎn)通過它加入網(wǎng)絡(luò)，主要負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)的采集及傳輸。在糧庫(kù)，相鄰糧倉(cāng)的距離不遠(yuǎn)，而糧倉(cāng)相距的最遠(yuǎn)距離可能較遠(yuǎn)。若設(shè)一個(gè)中心機(jī)房，從中心機(jī)房到各糧倉(cāng)的距離不等，有遠(yuǎn)有近。 糧庫(kù)的規(guī)模以后可能擴(kuò)大， 糧倉(cāng)距離中心機(jī)房的最遠(yuǎn)距離會(huì)增加。糧庫(kù)的這些特點(diǎn)：相鄰分布、低成本、一個(gè)中心、易擴(kuò)充等適合采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)應(yīng)圖1，通信機(jī)采用協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模式、主機(jī)采用路由節(jié)點(diǎn)模式、下位機(jī)采用終端節(jié)點(diǎn)模式。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最初是由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)動(dòng)并建立。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)

10、行信道掃描，選擇一個(gè)空閑的或相對(duì)適合的無線信道，建立一個(gè) ZigBee 無線局域網(wǎng)， 并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)， 之后接收其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求，判斷請(qǐng)求的無線局域網(wǎng)絡(luò) ID 是否與自身的相同， 若相同則將該節(jié)點(diǎn)加入到無線局域網(wǎng)絡(luò)之中，并且為每一個(gè)經(jīng)過批準(zhǔn)加入此網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)都分配一個(gè)在此網(wǎng)絡(luò)內(nèi)唯一的 16位短地址，發(fā)送節(jié)點(diǎn)以后向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)都將此短地址一同發(fā)送，以便接收節(jié)點(diǎn)能辨別數(shù)據(jù)的來源。一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，可以從其父節(jié)點(diǎn)得到自己的短地址、 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)地址以及規(guī)定的拓?fù)鋮?shù)。父節(jié)點(diǎn)可以是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)可以是路由節(jié)點(diǎn)或終端節(jié)點(diǎn)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)要離開網(wǎng)絡(luò)，只須向其父節(jié)點(diǎn)提出

11、請(qǐng)求即可。一個(gè)節(jié)點(diǎn)若成功地接收一個(gè)子節(jié)點(diǎn)，或者其子節(jié)點(diǎn)成功脫離網(wǎng)絡(luò)，都必須向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)匯報(bào)， 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)掌握網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)信息。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖如圖2所示，路由節(jié)點(diǎn)流程圖如圖 3所示，終端節(jié)點(diǎn)流程圖如圖4所示。開始建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入無線監(jiān)控狀態(tài)N空中有信息？YY 有節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)？給該節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)號(hào)N接收到節(jié)點(diǎn)N的數(shù)據(jù)？Y處理數(shù)據(jù)并傳送給上位機(jī)圖 2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖接收到信息包接收到信息包是否給自己N的信息包？是否給自己YY的信息包？Y接收數(shù)據(jù)是N處理數(shù)據(jù)交否完畢？Y目標(biāo)地址是到上一層N否為鄰居？延遲直到數(shù)據(jù)接收完畢直接發(fā)送N根據(jù)路由算法請(qǐng)?zhí)幚頂?shù)據(jù)包求其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)送到上一層結(jié)束結(jié)

12、束圖 3路由節(jié)點(diǎn)流程圖圖 4 終端節(jié)點(diǎn)流程圖考慮低功耗、 低成本， 采用 ATMEL公司的低功耗 CMOS工藝 8位微控制器 ATmega128L，在無數(shù)據(jù)處理時(shí)，令控制處理器進(jìn)入睡眠模式，節(jié)省能耗，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要處理器處理時(shí)，由喚醒源將其喚醒， 進(jìn)入工作狀態(tài)， 一旦數(shù)據(jù)處理完畢，再次進(jìn)入睡眠模式。無線通信采用Chipcon公司的射頻芯片 CC2420，其休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間特性， 滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)低成本、 低功耗的要求。 數(shù)據(jù)采集采用瑞士 Sensirion 公司的 SHT11型數(shù)字式溫濕度傳感器，該傳感器采用單片集成設(shè)計(jì)，具有體積小、功耗低的特點(diǎn)。IO1FIFOINTFIF

13、OPIO2CCAICPSFDATmega128LCC2420SSCSnMOSISIMISOSOSCLKSCLK圖 5 CC2420 與 ATmega128L 的連接CC2420有 4個(gè) SPI通信接口： CSn、 SI 、 SO、 SCLK，對(duì)應(yīng) ATmega128L的 4個(gè) SPI通信接口：SS、 MOSI、MISO、 SCLK。通過這 4條線，處理器可以對(duì)CC2420進(jìn)行寫入或讀取配置信息，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)。由于CC2420只有從機(jī)模式，因此處理器只能采用主機(jī)模式。如圖5所示，由處理器的 SCLK引腳提供時(shí)鐘頻率；SS引腳控制數(shù)據(jù)收發(fā)的同步性，在接收和發(fā)送時(shí)，都要保證CSn為低電平； MOS

14、I與 MISO分別是數(shù)據(jù)輸出和輸入的引腳。 SHT11的 SCK、 DATA分別與微處理器 ATmega128L的 PC0、 PC1相連， SHT11根據(jù) SCK、 DATA不同高低電平時(shí)序完成相應(yīng)功能。3 上位機(jī)功能設(shè)計(jì)系統(tǒng)管理： 包含用戶管理、倉(cāng)號(hào)管理、環(huán)境設(shè)置等二級(jí)子菜單。用戶管理用于設(shè)置用戶名及密碼； 倉(cāng)號(hào)管理用來設(shè)置系統(tǒng)糧倉(cāng)編號(hào)；環(huán)境設(shè)置用來設(shè)置報(bào)警溫度上限、備份時(shí)間間隔、備份起始時(shí)間、 數(shù)據(jù)與溫度轉(zhuǎn)換表，各糧倉(cāng)情況設(shè)置：負(fù)責(zé)人、 管理員、 操作員、倉(cāng)號(hào)、品種、等級(jí)、性質(zhì)、水份、雜質(zhì)、容重、數(shù)量、入庫(kù)時(shí)間。巡檢控制： 包含按倉(cāng)顯示、 水平顯示、 輪回巡檢、 后臺(tái)巡檢、 巡檢倉(cāng)設(shè)置等二

15、級(jí)子菜單。按倉(cāng)顯示將檢測(cè)結(jié)果按一倉(cāng)一屏的方式顯示， 而每一屏由若干個(gè)倉(cāng)截面組成， 每一個(gè)倉(cāng)界面由一個(gè)下位機(jī)負(fù)責(zé)，按倉(cāng)顯示將顯示圖形與實(shí)際的位置對(duì)應(yīng)，若出現(xiàn)某一位置超限，可以快速找到它的實(shí)際位置。水平顯示將每倉(cāng)的檢測(cè)結(jié)果逐行顯示，每一行由一個(gè)下位機(jī)負(fù)責(zé)，每行又按照不同電纜分為若干組，如3× 5 負(fù)責(zé)檢測(cè)5 條電纜及每條電纜上有3 個(gè)傳感器，則每一行顯示5 組，每組 3 個(gè)單元，水平顯示的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)排列整齊緊湊，稍加分析就可以快速找到對(duì)應(yīng)的實(shí)際位置。輪回巡檢是按照可巡檢倉(cāng)的設(shè)置依次巡檢每一個(gè)倉(cāng)，巡檢一周后繼續(xù)循環(huán)進(jìn)行，將每次巡檢的結(jié)果實(shí)時(shí)顯示出來。后臺(tái)巡檢是指巡檢每一個(gè)倉(cāng)，但只顯示選擇倉(cāng)

16、的數(shù)據(jù)， 用鼠標(biāo)點(diǎn)擊顯示的糧倉(cāng)圖標(biāo)即可指定選擇倉(cāng)。巡檢倉(cāng)設(shè)置是用來指定可參加巡檢的倉(cāng)號(hào)。報(bào)警設(shè)置：開啟、關(guān)閉報(bào)警功能，選擇報(bào)警音樂。當(dāng)檢測(cè)溫度超過報(bào)警溫度上限時(shí)，若開啟報(bào)警功能，則紅色突顯該檢測(cè)點(diǎn)、播放報(bào)警音樂。查詢打印：可以按全部、按倉(cāng)、按從機(jī)查詢或打印存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。備份恢復(fù)：包括當(dāng)前備份、日期備份、歷史恢復(fù)。對(duì)數(shù)據(jù)備份時(shí)，若輸入日期，則備份為輸入日期數(shù)據(jù)， 若不輸入， 則備份為當(dāng)前日期數(shù)據(jù)。 歷史恢復(fù)是指可以選擇某一備份數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)恢復(fù)為該歷史數(shù)據(jù)。使用 VB.NET編寫上位機(jī)程序時(shí)，處理了以下幾個(gè)主要問題：(1) 根據(jù)實(shí)際使用倉(cāng)情況動(dòng)態(tài)地進(jìn)行巡檢、顯示，使用動(dòng)態(tài)控件數(shù)組完成該功能。先在窗

17、體上放置一個(gè)顯示控件，然后在程序處理過程中，根據(jù)實(shí)際使用個(gè)數(shù)，使用加顯示控件個(gè)數(shù)。 為了靈活處理各種顯示情況， 設(shè)計(jì)了檢測(cè)顯示函數(shù)，顯示窗體、包含顯示數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)數(shù)組。Redim語句增該函數(shù)的調(diào)用參數(shù)為(2) 使用 Mscomm 控件設(shè)計(jì)串口通信，通過屬性設(shè)置端口號(hào)、波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位和停止位、緩沖區(qū)大小等，使用 Output屬性向緩沖區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)或出現(xiàn)故障時(shí)，觸發(fā) OnComm事件。使用定時(shí)器每隔一段時(shí)間發(fā)出呼叫，在OnComm 事件中根據(jù)CommEvent 的值來判斷是正確接收還是出現(xiàn)故障，對(duì)接收正確的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)、拆分、轉(zhuǎn)換等處理。(3) 在中文 Windows 使用的是

18、雙字節(jié)字符集 (DBCS) 系統(tǒng)，若要向串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)的字符，需要使用字節(jié)數(shù)組，如：Dim aa(255) As ByteFor i = 0 To 255aa(i) = iNext iMSComm1.Output = aa(4) 對(duì)于糧倉(cāng)打印功能的設(shè)計(jì)，考慮糧倉(cāng)報(bào)表一般表格格式不變而只是填充的內(nèi)容變化，所以采用VB 調(diào)用 Excel 報(bào)表輸出的方法，可以充分利用Excel 優(yōu)秀的報(bào)表生成功能，同時(shí)將打印程序設(shè)計(jì)主要集中在數(shù)據(jù)的處理上，使打印設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔、靈活。4 運(yùn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)上位機(jī)的串口通信，使用 SerialTrace 軟件進(jìn)行調(diào)試，運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖為向串口發(fā)送的呼叫數(shù)據(jù)，第二組為從串口接收的檢測(cè)數(shù)據(jù)） ：6 所示（第一組圖 6 運(yùn)行數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)分析：由檢測(cè)協(xié)議（本文省略）分析可知，第一組數(shù)據(jù)為上位機(jī)發(fā)出的7個(gè)字節(jié)的呼叫， 呼叫的分機(jī)號(hào)為 01，信息包長(zhǎng)度為 02，校驗(yàn)位 81。第二組為 01號(hào)分機(jī)應(yīng)答上位機(jī)呼叫而返回的檢測(cè)數(shù)據(jù)， FA為分隔位， FA之間為一個(gè)下位機(jī)檢測(cè)的數(shù)據(jù)， FA 位之后的第五位表示傳感類型，傳感位之后為各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過校正、轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)。5 結(jié)束語本文提出了一個(gè)基于無線傳輸?shù)?/p>