基于基于ZigBee技术的仓库温度监测系统 技术的仓库温度监测系统 随着科学技术的发展，传统的人工定期定点查看粮仓温度的方法，已逐渐被电子监测温度设备所取代。本文设 计了一套粮仓温度监测系统。采用ZigBee技术的无线通信网络对仓库各点温度进行监测，管理者可以在控制室 随时了解仓库现场的信息，使粮仓管理实现自动化、智能化。 1 ZigBee技术的分析与研究 在工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等应用中，系统所传输的数据通常为小量的突发信号，即数 据特征为数据量小，要求进行实时传送，如采用传统的无线技术，虽然能满足上述要求，但存在着设备的成本高、体积大和能 源消耗较大等问题，针对这样的应用场合，人们希望利用具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技 术。ZigBee技术就是在这种需求下产生的。它是具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术，其中文译 名通常称为“紫蜂”技术。 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制 领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。在ZigBee技术中，其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准。每 一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。ZigBee技术的体系 结构主要由物理(PHY)层、媒体接人控制(MAC)层、网络／安全层以及应用框架层组成，其各层之间如图1所示。 ZigBee技术有星型和对等两种拓扑结构，每种都有自己的组网特点。本设计根据系统特点，选用组网结构简单的星型网络结 构，尽管该方式只能组建包含较少的无线接点的无线网络，但已经能够满足系统的需要。PHY层的特征是启动和关闭无线收 发器，能量检测、链路质量、信道选择、清除信道评估，以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。MAC层的具体特征是 信标管理、信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送连接及断开连接请求，且为应用合适的安全机制提供方法。 星型拓扑结构有一个叫作PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是一个具有完整功能的设备，从设备 可以使完整功能设备，也可以是简化功能设备。当一个具有完整功能的设备(FFD)第一次被激活后，它就会建立一个自己的网 络，让自身成为一个PAN主协调器。所有星型网络的操作独立于当前其他星型网络的操作，通过选择一个PAN标识符确保网 络的惟一性。一旦选定了一个PAN标识符，PM主协调器就会允许其他从设备加入到它的网络中，无论是具有完整功能的设 备，还是简化功能的设备都可以加入到这个网络中。在星形拓扑结构中，PAN主协调器是主要的耗能设备，而其他从设备均 采用2节干电池供电。 2 系统硬件设计 2.1 ZigBee芯片介绍 CC2430出自挪威Chipcon公司，是一款真正符合IEEE802.15.4标准的片上ZigBee产品。该芯片延用以往CC2420芯片的结 构，在单个芯片上集成ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051)，具有32／64／128 kB可编成闪 存和8 kB的RAM，还包含模／数转换器(ADC)、几个定时器、AES-128安全协处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式 定时器、上电复位电路、掉电检测电路。 CC2430还有21个可编程的I／O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器 的位和字节，可使这些引脚作为通常的I／O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I／O口使用。其I／O口引脚 功能如下： 1～6脚(P1.2～P1.7)：具有4 mA输出驱动能力； 8，9脚(P1.0，P1.1)：具有20 mA的驱动能力； 11～18脚(P0.0～P0.7)：具有4 mA输出驱动能力； 43～46，48脚(P2.0～P2.4)：具有4 mA输出驱动能力。 CC2430芯片采用0.18 μm 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，电流损耗分别低于27 mA或 25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。 2.2 系统硬件电路 该系统采用星状无线网络系统，系统只有一个网络协调器和若干个RFD节点。网络协调器安装在有人值守的监控室，负责建 立网络和管理网络，并显示当前整个网络的状况，且把收到的数据发送到计算机中。RFD负责安装在各个仓库中，负责采集 温度值，然后定期或有中断时，把数据发送给网络协调器。监控人员在控制室通过显示器就可以对仓库温度进行监视，无须到 仓库现场。 网络协调器有CC2430、串口部分、天线、按键和显示模块组成。天线用的是非平衡天线，它与非平衡变压器连接，使天线性 能更好。CC2430模块通过天线接收到信号后，通过SPI口直接输出到液晶显示器上。串口部分用UART模块，UART再外接一 个RS 232模块用于连接计算机，给计算机传输数据，将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部使用并行数据的 器件使用。所连接的计算机的作用是用来观察串口输出的数据。 RFD节点有CC2430、温度传感器和天线组成。节点通过温度传感器TC77检测所处环境的温度，然后通过天线发送给网络协 调器。温度传感器使用TC77，它是Microchip公司生产的串联可访问数字温度传感器，特别适合于廉价，小尺寸的应用中。温 度数据从内部温度敏感元件转换而来，随时都可以转化成13位数字。 

为了减少对其他设备和系统的干扰和影响，在保证设备能够正常地工作的条件下，每个设备的发射功率应尽可能地小。通 常，Zigbee的发射功率在0～+10 dBm，通信距离范围为10 m，可扩大到约300 m，其发射功率利用设置的相应服务原语进行 控制。本设计中RFD节点的最小发射功率为-3 dBm。在网络协调器端，为保证设备能正常接收到RFD节点发射的信号，其有 用信号不能太大，否则，将造成接收信息堵塞，不能正常地接收。通常接收端的有用信号的最大输入电平就是有用信号的最大 功率值本设计接收机的最大输入电平值为-20 dBnb。 3 系统软件流程 系统软件分主机和分机两部分，主机作为全功能系统负责网络协调和人机对话，分机作为简单功能系统，等待主机命令，传输 本机点数据。其系统流程如图2所示。 4 结 语 ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，其有广泛的应用前景。该系统是在归纳国内外研究成果的基础上，采用 ZigBee技术构建的无线传感器网络，实现对仓库温度的监测，具有组网简单、系统花费少、扩展网络容易、通讯稳定、无需 支付网络费用等优点。在实际中有很好的应用价值。