為保證日常工作的順利進(jìn)行，首要問題是加強(qiáng)倉庫內(nèi)溫度與濕度的監(jiān)測工作。傳統(tǒng)的人工測試方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大；如果利用有線通信網(wǎng)絡(luò)線纜將傳感器節(jié)點(diǎn)組成糧倉溫濕度檢測網(wǎng)絡(luò)，需要對(duì)糧倉內(nèi)部進(jìn)行較大規(guī)模的電源、線纜安裝工作，不便于后續(xù)的檢查、維修和改造。因此，溫濕度測控的無線化、智能化和信息化管理已成為包括糧倉系統(tǒng)在內(nèi)的倉庫儲(chǔ)備技術(shù)的發(fā)展趨勢。

本文設(shè)計(jì)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行周圍環(huán)境的檢測和控制。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要較高的傳輸帶寬，但是需要較低的傳輸時(shí)延，同時(shí)對(duì)功率消耗十分敏感，因此選擇采用無線傳輸芯片和超低功耗嵌入式處理器，構(gòu)造分布式的無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉溫濕度的網(wǎng)絡(luò)化實(shí)時(shí)檢測和報(bào)警、通風(fēng)及排濕控制。

1 MPS430芯片

1．1 芯片功能

    MPS430單片機(jī)是由TI公司推出的一系列超低功耗微處理器。它的顯著特性是具有超低功耗，有5個(gè)低功耗模式可供選擇，而且喚醒時(shí)間很短，只需要6μs，同時(shí)還擁有強(qiáng)大的處理能力，豐富的片上外圍模塊，靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)，穩(wěn)定的工作狀態(tài)，方便高效的開發(fā)方式等特點(diǎn)。以上特性使之成為電池供電便攜設(shè)備的首選微處理器。

1．2 芯片結(jié)構(gòu)

    本系統(tǒng)以MSP430F449作為傳感器和無線射頻芯片的MCU，其最小系統(tǒng)原理圖如圖1所示。 

圖1　MSP430F449最小系統(tǒng)原理圖

2 無線通信網(wǎng)絡(luò)

2．1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)邏輯功能上，ZigBee設(shè)備可以分為終端設(shè)備、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)等。路由器主要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能，終端設(shè)備則負(fù)責(zé)與實(shí)際的監(jiān)控對(duì)象相連，是實(shí)現(xiàn)具體功能的單元。ZigBee技術(shù)可采用的拓?fù)淠Ｐ陀行切?、簇樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2．2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用簇樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是路由相對(duì)比較簡單，便于擴(kuò)展，可簡化連接。簇樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)星型結(jié)構(gòu)連接而成，每個(gè)星型結(jié)構(gòu)中包括數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)(終端設(shè)備)和一個(gè)或多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

 圖2　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的無線通信，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)，通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)；路由器節(jié)點(diǎn)對(duì)信息進(jìn)行綜合后把數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器通過RS 232串口與PC機(jī)相連，用來收集整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，并能向數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令和參數(shù)設(shè)置信息，實(shí)現(xiàn)與終端設(shè)備的通信。

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3 硬件設(shè)計(jì)

3．1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

每個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由數(shù)字化溫濕度傳感器(SHT11)、數(shù)據(jù)處理單元(MSP430)、無線傳輸模塊(CC2500)及時(shí)鐘日歷模塊(PCF8563)組成，如圖3所示。 

 圖3　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

溫濕度傳感器SHT11完成區(qū)域內(nèi)的溫濕度信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；無線模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，時(shí)鐘日歷模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)，同時(shí)為采集數(shù)據(jù)添加時(shí)問標(biāo)志；能量供應(yīng)模塊部分使用普通電池，為系統(tǒng)各個(gè)部分提供能量。

數(shù)字傳感器采用瑞士Sensirion公司推出的新型溫濕度傳感器SHT11。該芯片包括濕度和溫度敏感元件、信號(hào)放大調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換和I2C總線接口。采集溫濕度數(shù)據(jù)時(shí)，芯片中的2個(gè)敏感元件分別將濕度和溫度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該電信號(hào)由微弱信號(hào)放大器進(jìn)行放大后，經(jīng)過14位的A ／D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，然后通過I2C總線接口輸出數(shù)字信號(hào)。溫濕度傳感器SHT11與單片機(jī)的電路連接圖如圖4所示。

圖4　傳感器與單片機(jī)電路連接圖

無線模塊中CC2500芯片是Chipcon公司推出的單片無線收發(fā)一體化芯片，是業(yè)界體積最小，功耗最少，外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片之一，其主要特性有體積小，外圍電路簡單；低功耗，靈敏度高，速率可調(diào)；支持包數(shù)據(jù)處理；接收數(shù)據(jù)時(shí)，有信息同步字自動(dòng)檢測、地址檢測、信息長度分析和CRC校驗(yàn)等功能；具有WOR功能，保證芯片在深度睡眠時(shí)周期性地蘇醒，探聽周圍是否有信號(hào)。

時(shí)鐘日歷模塊的PCF8563是PHILIPS公司生產(chǎn)的低功耗CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷芯片，通過I2C總線接口與單片機(jī)連接，連接圖如圖5所示，可向單片機(jī)發(fā)送當(dāng)前時(shí)間信息，并提供時(shí)鐘基準(zhǔn)信號(hào)。

 圖5　PCF8563與單片機(jī)電路連接圖

單片機(jī)MSP430F449通過SPI總線與CC2500芯片的接口連接，發(fā)送端與接受端硬件連接幾乎一樣，具有通用性，可實(shí)現(xiàn)半雙工通信。

    數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)MSP430F449控制，定時(shí)向溫濕度傳感器SHT11發(fā)送讀溫度和濕度指令，SHT11檢測溫濕度信息，并輸出數(shù)字信號(hào)，MSP430F449在接收到溫濕度的數(shù)值后，將這些數(shù)據(jù)傳輸至CC2500，由CC2500負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)進(jìn)行打包處理，并發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)。

為了降低系統(tǒng)功耗，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通常在閑置時(shí)進(jìn)入休眠模式，其外設(shè)模塊也進(jìn)入休眠狀態(tài)，或者電源管理部分不對(duì)這些外設(shè)模塊供電。

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3．2 數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器都屬于數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理，主要由數(shù)據(jù)處理模塊(MPS430)、無線模塊(CC2500)和一些外圍器件構(gòu)成，路由節(jié)點(diǎn)采用電池供電，協(xié)調(diào)器采用USB供電或者是交流電供電，其結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖 

協(xié)調(diào)器通過串口RS 232與PC機(jī)相連，其功能相當(dāng)于一個(gè)接入點(diǎn)，一方面將主機(jī)向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的控制信號(hào)以無線的方式發(fā)射出去，另一方面接收采集數(shù)據(jù)并上傳給主機(jī)。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)收發(fā)程序兩部分，它們都包括初始化程序、發(fā)射程序和接收程序。

初始化程序主要是對(duì)單片機(jī)、射頻芯片、SPI接口等進(jìn)行設(shè)置；發(fā)射程序?qū)⒔⒌臄?shù)據(jù)包通過單片機(jī)SPI接口送至無線模塊輸出；接收程序完成數(shù)據(jù)的接收并進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)采集子程序主要負(fù)責(zé)根據(jù)無線命令實(shí)時(shí)采集糧倉的溫濕度數(shù)據(jù)信息，軟件流程如圖7所示。

圖7　數(shù)據(jù)采集程序流程圖

數(shù)據(jù)收發(fā)程序主要負(fù)責(zé)向數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，并接收返回?cái)?shù)據(jù)，綜合后向上層節(jié)點(diǎn)傳送，軟件流程如圖8所示。

圖8　數(shù)據(jù)收發(fā)程序流程圖

5 結(jié)語

本文以低成本、低功耗為目標(biāo)，采用ZigBee技術(shù)和CC2500芯片，設(shè)計(jì)基于MPS430單片機(jī)的糧倉溫濕度檢測系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)成本低，且易于擴(kuò)展，整個(gè)系統(tǒng)能夠滿足長時(shí)間糧倉溫濕度監(jiān)測的需求，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，在實(shí)際中有很好的應(yīng)用價(jià)值。