Zigbee是一種能滿足低功耗、低複雜度、低成本的新的無線通信技(ji)術(shu),文中針對Zigbee的技(ji)術(shu)特點和SMT廠房的特殊(shu)的環境(jing)要(yao)求,提(ti)出了(liao)一種基於Zigbee無線傳感網絡的溫濕度監控係統。本係統以射(she)頻芯片CC2530為核心,搭建了(liao)係統網絡的硬件平台,並在ZigBee2007協議棧基礎上進行了(liao)係統軟件流程設計。經過試驗,係統組網靈活,控製精度較高,對廠房的溫濕度智能化、統一化的管理有著重要(yao)的實際意(yi)義。
電子電路(lu)表麵組裝技(ji)術(shu)(SMT)是一種將(jiang)片式組裝元器件安裝在印製電路(lu)板的表麵,通過回流焊(han)等(deng)方法(fa)加以焊(han)接組裝的電路(lu)裝連技(ji)術(shu),是目前電子組裝行業(ye)裏最(zui)流行的一種技(ji)術(shu)和工藝。隨著電子技(ji)術(shu)的進步,電子元器件逐漸向小型化、精密化、多功能方向發展,元器件的精密程度的提(ti)高對電子組裝的環境(jing)要(yao)求的越(yue)來越(yue)苛刻。生產環境(jing)不合適的溫度和濕度不但會對電子元器件的組裝造成危害,而且還會影(ying)響SMt機器設備的正常運(yun)行,所以,對SMT廠房溫度和濕度自動化的實時而準確(que)的監測和控製,使廠房實時處在一個良好(hao)的生產環境(jing),對設備運(yun)行和SMT產品質量保障都(du)有著重大的現實意(yi)義。
傳統的SMT廠房的溫濕度監測係統常常采用有線方式,其優點是可靠穩定,明顯(xian)的缺(que)點是布線困難,組網不靈活,增(zeng)加節點硬軟件都(du)要(yao)重新配置,而且可移動性(xing)差。針對上述傳統有線的溫濕度監控的缺(que)點和不足,本文設計了(liao)一種融合了(liao)ZigBee無線通信技(ji)術(shu)和傳感技(ji)術(shu)的溫濕度監控係統則很好(hao)解決(jue)了(liao)這些問題,該係統安裝布置的靈活性(xing)高、安裝費用低廉、對廠房的監控係統進行重新布置時可移動性(xing)強。係統網絡的自組織能力(li),大大增(zeng)加了(liao)係統數據傳輸(shu)的可靠性(xing),這些特點非(fei)常適合廠房多節點溫濕度環境(jing)監測和控製的需(xu)求。
1係統的原理及構成
ZigBee作為一種基於IEEE 802.15.4標準的新型無線通信技(ji)術(shu),其主要(yao)特點是近距離(li)、低複雜度、低功耗、低成本、協議簡單,和傳感器網絡融合就(jiu)組建了(liao)ZigBee無線傳感器網絡,該網絡具有以數據為中心、自組織、可快(kuai)速部署(shu)等(deng)諸多優點。
ZigBee協議層從底層到頂層分別(bie)為物理層(PHY)、媒體控製層(MLAC)、網絡層(NWK)、應用層(APL)。其中MAC和PHY兩層協議由IEEE802.15.4標準定義,NWK和APL兩層則由ZigBee聯盟定義。ZigBee網絡支持多種拓(tuo)撲結構,比如星型、樹型和網狀型結構,ZigBee網絡節點通常按照功能分為三大類(lei):協調器節點、路(lu)由節點和終(zhong)端(duan)節點。其中協調器節點對於每個Zigbee網絡具有唯(wei)一性(xing),是整個網絡的核心,其他(ta)的路(lu)由節點和終(zhong)端(duan)節點作為子節點加入網絡。
針對SMT廠房特點,需(xu)要(yao)監測的區域通常可以分為:生產區、器件區和低溫存儲區(冰箱)三部分。分別(bie)對應的不同(tong)的溫濕度要(yao)求。
由於該係統麵向SMT小型廠房設計,所以係統組網相對簡單,數據的傳輸(shu)量也不大,因此采用隻含有中心節點(協調器)和終(zhong)端(duan)節點的星型網絡拓(tuo)撲結構就(jiu)能夠(gou)滿足本係統的設計,完成數據和信息的正常通信。分布於上述監測區域的無線溫濕度傳感器節點,分為無線采集節點和無線控製節點兩類(lei),采集節點首先進行溫度和濕度數據的采集、初步處理,然後通過ZigBee協議將(jiang)從傳感器節點接收的數據發送到協調器節點;協調器根據采集結果(guo)和係統設定值進行比較決(jue)定是啟(qi)動無線控製節點來控製各種溫濕度調節設備的運(yun)行狀態,達到調節廠房中溫濕度的目的;協調器節點本身(shen)還負責建立ZigBee網絡,並發送和接收指令(ling),通過RS232串口與監測中心PC機進行數據通信;監測中心PC機負責集中顯(xian)示廠房各個監測區域的每個傳感器節點采集到的溫濕度信息。
2係統硬件設計
2.1網絡協調器設計
網絡協調器作為無線傳感網絡的核心,實現網絡無線采集節點的數據的收發和處理,並且能夠(gou)通過並通過無線控製節點控製溫濕度調節設備。協調器借助於RS232串口通信將(jiang)數據發送到監測中心的PC機,實現整個係統監測信息的可視性(xing)。本係統的網絡協調器由下列部分組成:CC2530通信模塊、天線模塊、LCD液(ye)晶(jing)顯(xian)示模塊和電源模塊等(deng)構成。CC2530通信模塊作為協調器的核心部分,承擔著接收和存儲傳感器采集節點發來數據的任務,並且能夠(gou)對數據進行分析處理,發送網絡指令(ling)給無線控製節點,LCD顯(xian)示網絡節點工作狀態;電源模塊提(ti)供工作電壓是3.3 V,為了(liao)確(que)保協調器以及係統工作的穩定性(xing),采用3.3 V穩壓電源對核心芯片供電。
2.2無線節點設計
係統的無線節點由無線采集節點和無線控製節點兩大類(lei),是本係統網絡的基本結構單元,二(er)者在係統中扮演(yan)的角(jiao)色不同(tong),結構也不相同(tong)。無線溫濕度采集節點由下列部分組成:數字式溫濕度傳感器SHT15和CC2530無線單片機,該單片機內部集成了(liao)2.4 GHz的射(she)頻收發器,並且符合IEEE802.15.4標準。傳感器SHT15是通過I2C總線直接與CC2530單片機接口相連,其中I2C總線是由CC2530單片機I/O接口模擬(ni)而成,所以在設計上並沒有額外增(zeng)加專門的I2C總線控製器,在一定程度上減少了(liao)硬件成本。當檢測到溫濕度信息時,CC2530對數據進行初步處理,為傳輸(shu)數據做(zuo)好(hao)準備。然後通過LCD顯(xian)示出來並通過天線發送給中心節點。CC2530模塊存儲和處理傳來的數據,並與協調器進行無線通信,電源模塊采用體積小、容量大的鋰電池(chi)供電。
無線控製節點結構由以下幾個部分構成:CC2530無線通信模塊、D/A數模轉換器、功率放大器和電磁(ci)繼電器等(deng)構成。負責與協調器之間通信,且能夠(gou)執行協調器的發送的命(ming)令(ling),控製節點被啟(qi)動後,節點中的CC2530芯片接收相應的協調器命(ming)令(ling)進行PID運(yun)算(suan)和數字輸(shu)出,然後通過D/A數模轉換器,將(jiang)數字信號轉化為模擬(ni)信號,再通過功率放放大器經過信號放大,來控製電磁(ci)繼電器工作狀態,從而實現調節各種溫濕度調節設備,以便及時調整廠房中整體或者局(ju)部的溫濕度狀態。
本係統控製部分的繼電器驅(qu)動電路(lu)如圖5所示,單片機輸(shu)出的高低電平給驅(qu)動電路(lu)提(ti)供控製信號,通過驅(qu)動電路(lu)控製電磁(ci)繼電器中的電磁(ci)線圈的閉合和斷(duan)開。當單片機輸(shu)出高電平信號到三極管的基極,三極管處於飽和狀態導通狀態,此時繼電器中的線圈閉合,外電路(lu)被接通,與之接通的機器設備運(yun)行;當單片機信號輸(shu)出低電平,繼電器線圈斷(duan)開,機器設備停(ting)止運(yun)行。
2.2.1 CC2530芯片
TI公司推出的Zigbee芯片CC2530,工作在2.4 GHz頻段,符合IEEE 802.15.4規範,片內集成業(ye)界(jie)標準的增(zeng)強型8051內核處理器和RF收發器,支持代碼(ma)預(yu)取功能;256 kFlash大容量的程序存儲器,支持Zigbee2007pro協議,擁有8k數據存儲器。片內還集成5通道DMA;MAC定時器;1個16位、2個8位普通定時器;電源管理與片內溫度傳感器;32 kHz休眠定時器;看門狗;2個強大的USART接口,支持多種串行協議12位A/D轉換器等(deng)智能外設。該芯片供電電壓區間2~3.6 V,具有3種電源管理模式:主動模式、休眠模式和中斷(duan)模式,3種模式對應的電流強度分別(bie)為0.2 mA、1μA和0.4μA,因此,該芯片具有超低功耗的突(tu)出特點,傳輸(shu)距離(li)大於75 m,最(zui)高數據傳輸(shu)速度率達到250 kbps。另外,CC2530從休眠模式轉換到主動模式時間極短、響應速度極快(kuai),這些特性(xing)使得該芯片非(fei)常適合在無線傳感器網絡中的應用。
2.2.2溫濕度傳感器SHT15
SHT15是瑞士SENSIRION公司推出的一款(kuan)高度集成的數字式的溫濕度傳感器,具有全(quan)量程標定的數字輸(shu)出,另外,采集數據信息經過內部校(xiao)準之後輸(shu)出,大大減少了(liao)誤差,提(ti)高了(liao)信息采集的精確(que)度,該傳感器含有一個14位的A/D轉換器,能實現溫度最(zui)高14bit和濕度12bit的測量;一個串行接口電路(lu)。SHT15的供電電壓為2.4~5.5 V,平均功耗溫度測量範圍:-40~+123.8℃,濕度測量範圍:0~100%RH,溫度測量精度:±0.3℃,濕度測量精度:±2.0%RH。
SHT15數字式傳感器直接與CC2530通過I2C串行總線相連,具有循環冗餘碼(ma)校(xiao)驗(CRC)數據傳輸(shu)校(xiao)驗的功能,這些特點增(zeng)加了(liao)對傳感器接口開發的方便性(xing)與可靠性(xing)。該傳感器具有響應時間快(kuai)、精度高、抗幹擾能力(li)強、功耗低等(deng)特點,當SHT15測量和通信完成後,會自動使能進入睡(shui)眠模式。
3係統軟件設計
係統的軟件設計目的是能夠(gou)很好(hao)的結合硬件設備實現本係統的功能。本係統利(li)用的協議棧是TI公司推出的與CC2530芯片配套的Z—STACK 2007版本。本係統需(xu)要(yao)進行三部分的軟件流程設計,分別(bie)是傳感器采集節點、協調器和無線控製節點的軟件流程設計。
協調器主要(yao)負責網絡的管理、彙聚(ju)采集的數據等(deng),傳感器測控數據通過網絡無線節點的控製節點來控製是否(fu)啟(qi)動變頻調速控製空調、加濕機、除濕機和風機等(deng)機器設備。本係統采用星形拓(tuo)撲網絡實現通信,網絡配置一個網絡協調器和多個傳感器節點,在網絡中所有的傳感器節點隻與協調器通信。ZigBee網絡由協調器發起並且建立。協調器首先進行信道掃(sao)描,采用一個其空閑的信道,規定一些相應的網絡參(can)數,協調器啟(qi)動後,時刻監聽空中無線信號,如果(guo)終(zhong)端(duan)節點申請加入網絡時,發出申請加入信號,並提(ti)供正確(que)的認證信息,即可加入網絡;如果(guo)監聽到係統傳感器采集節點發送的溫濕度數據信息,協調器接收信息,並與係統設定值進行比較,如果(guo)溫度和濕度超出了(liao)規定的上下限(xian),協調器及時發出相應的命(ming)令(ling)給無線控製節點。
傳感器采集節點負責采集監測區域的溫度和濕度數據,並發送給協調器,而且還能夠(gou)接收來自協調器的相關命(ming)令(ling)。節點上電後首先進行硬件和協議棧的初始化,搜索鄰近的網絡,並且發送申請加入信息,等(deng)待(dai)網絡協調器確(que)認,信息確(que)認通過後,節點即可成功加入網絡,然後進入休眠的節電模式。當有數據傳輸(shu)請求時,節點立即由休眠模式進入工作模式,進行溫濕度信息采集、預(yu)處理並發送。
控製節點在整個係統中的角(jiao)色是與網絡協調器進行通信,接收並執行相應協調器命(ming)令(ling),控製節點啟(qi)動後,節點核心芯片進行PID運(yun)算(suan)和數字信號輸(shu)出,然後通過一係列的信號轉化,然後控製電磁(ci)繼電器工作狀態,從而實現調節如變頻調速器、風機、加濕器和除濕器等(deng)設備。
係統上位機的係統監控軟件采用Visual Studio 2010平台、C++語言開發,該軟件連接Access數據庫來實現存儲傳感器節點采集到的溫濕度數據,另外,該軟件還對係統的整個ZigBee網絡組網信息進行監控等(deng)等(deng)。軟件可以對采集的時間間隔、采集的監測區域進行設置。串口信息配置如下:波特率為19 200,數據比特8bit,無奇偶校(xiao)檢位。
4實驗結果(guo)和分析
為了(liao)驗證係統的實際應用性(xing)能,選取一塊監控區域作為實驗對象。首先,將(jiang)該係統安置於SMT廠房的一個無塵(chen)密閉生產車(che)間中進行試驗。在試驗過程中,開啟(qi)車(che)間的空氣(qi)循環機,促(chun)進空氣(qi)的流通和循環,盡量使得車(che)間內空氣(qi)的溫度和濕度均勻分布。無線溫濕度采集節點均勻的分布於車(che)間的不同(tong)位置,避免采集節點集中放置帶來的局(ju)部誤差,以便能夠(gou)準確(que)的監測溫濕度分布的信息。係統的控製節點連接的有變頻調速器的空調可以調節溫度,有增(zeng)濕機和除濕機,可以進行濕度調節。係統全(quan)部安裝完畢,開始試驗。係統上電初始化,網絡建立,係統開始工作,我(wo)們通過設定一係列不同(tong)的的溫度標準和濕度標準,等(deng)待(dai)係統的調控工作完成後,將(jiang)此時車(che)間實際的溫濕度信息記錄下來,並且和設定的標準值進行比較。
從上表結果(guo)我(wo)們可以看出,在經過7組試驗和測試,該係統實驗的穩態時的溫度與設定溫度值的誤差控製在±2.0℃以內;濕度的控製誤差在±3.5%RH以內。這樣的控製精度達到了(liao)SMT生產車(che)間的對溫濕度的要(yao)求。精度誤差造的原因主要(yao)是在車(che)間空氣(qi)中的溫度和濕度分布不均勻,造成不同(tong)位置的采集節點收集的數據有差異,從而造成中心節點分析數據時存在誤差,另外,車(che)間不可能完全(quan)密閉,與外界(jie)的絕熱能力(li)有限(xian),無法(fa)杜絕空氣(qi)和熱量與外界(jie)進行交(jiao)換,從而在一定程度上也影(ying)響了(liao)係統的穩態。
5結論
本係統利(li)用較高精度的數字式溫濕度傳感器SHT15對監控對象進行溫濕度采集,確(que)保了(liao)信息來源的準確(que)性(xing);星形傳感器網絡建立,大大增(zeng)加了(liao)監測區域的有效麵積,在一定程度上減少了(liao)因為區域限(xian)製和采集節點數量限(xian)製而帶來了(liao)的誤差;采用Zigbee無線技(ji)術(shu)也確(que)保了(liao)傳感器終(zhong)端(duan)節點、控製節點與協調器節點通信的可靠性(xing)和經濟性(xing)。該係統利(li)用采集的信息通過控製節點對溫度和濕度進行快(kuai)速而有效的控製,大大減少傳統了(liao)手動調節的滯後性(xing)。經多組試驗,控製精度達到了(liao)SMT廠房的測控要(yao)求。本係統具有結構簡單、功耗低、組網靈活,移動性(xing)強等(deng)特點,對中小型工業(ye)廠房的監測和控製領(ling)域有著很好(hao)的應用前景(jing)。