宋國清,李艷武

(1.齊齊哈爾高等師范?？茖W(xué)校,齊齊哈爾 161005;2.黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,齊齊哈爾 161000)

基于Zigbee的無線糧情檢測儀的設(shè)計(jì)

宋國清1,李艷武2

(1.齊齊哈爾高等師范?？茖W(xué)校,齊齊哈爾 161005;2.黑龍江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,齊齊哈爾 161000)

設(shè)計(jì)了一種基于RF芯片CC2530F256的無線糧情檢測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、信息處理與控制、無線傳輸?shù)墓δ?可以對糧情數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,以保證儲糧質(zhì)量與安全.同時(shí)兼容標(biāo)準(zhǔn)的Modbus,可以與PLC以及上位機(jī)通訊.

糧情檢測;數(shù)據(jù)采集;無線組網(wǎng);CC2530F256

目前大量糧情檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)成主從工作方式,采用RS485接口通訊方式或采用現(xiàn)場Can總線方式進(jìn)行通訊.在倉內(nèi)將多條嵌入有DS18B20數(shù)字式溫度傳感器的測溫電纜,分別連接到集線器上,測溫分機(jī)通過集線器采集現(xiàn)場糧食溫度,然后經(jīng)由RS485接口或Can總線連接到測溫主機(jī),測溫主機(jī)傳輸數(shù)據(jù)給監(jiān)控室中的上位機(jī).這時(shí)通過糧情檢測軟件在上位機(jī)進(jìn)行圖形顯示,工作人員在監(jiān)控室就可以實(shí)時(shí)的掌握各個(gè)糧倉中的數(shù)據(jù).

1 系統(tǒng)組成

本設(shè)計(jì)融入了當(dāng)前快速興起的Zigbee無線射頻技術(shù).在糧倉內(nèi)部可以采用電池供電的Zigbee測溫分機(jī)通過航空插頭連接單條測溫電纜的純粹無線的方式,缺點(diǎn)是需要的測溫分機(jī)多,成本大.或者采用Zigbee測溫分機(jī)連接集線器的方法,優(yōu)點(diǎn)是成本低,不需要更換電池,缺點(diǎn)是需要增加一條供電電源,設(shè)計(jì)中綜合考慮采用后一種方案,Zigbee測溫分機(jī)采集的數(shù)據(jù),通過室外的Zigbee路由器和協(xié)調(diào)器自組織形成的無線網(wǎng)狀網(wǎng),進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,該無線網(wǎng)具有自動路由重建功能.大量采集數(shù)據(jù)通過Zigbee協(xié)調(diào)器匯集,按照自定義的傳輸協(xié)議經(jīng)由RS232串口,傳輸?shù)缴衔粰C(jī).

總控室內(nèi)配備一臺獨(dú)立的計(jì)算機(jī)進(jìn)行糧情檢測,或在糧庫辦公樓內(nèi)某個(gè)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)的某一臺計(jì)算機(jī)進(jìn)行糧情檢測.按照設(shè)置的報(bào)警參數(shù)或者歷史數(shù)據(jù)曲線,高溫天氣自動通風(fēng)排積熱和低溫天氣的自動通風(fēng)降溫.

2 Zigbee無線糧情檢測儀的硬件設(shè)計(jì)

無線糧情檢測儀是采集,控制、無線傳輸與一體的無線模塊,取代傳統(tǒng)的布線方式.能夠根據(jù)需要提供4路標(biāo)準(zhǔn)的12位4-20 ma采集,4路帶光電隔離的開關(guān)量輸入,4路繼電器輸出,1路RS232,1路RS485,模塊使用開關(guān)電源供電或電池供電以適用于戶外工作環(huán)境.無線射頻芯片由CC2530F256+CC2591構(gòu)成.

圖1 Zigbee協(xié)調(diào)器硬件組成框圖

2.1 Zigbee協(xié)調(diào)器4-20 ma I/V轉(zhuǎn)換電路圖

在工業(yè)現(xiàn)場,信號進(jìn)行長線傳輸.早期采用電壓信號,在使用過程中發(fā)現(xiàn)電壓易受噪聲干擾,傳輸線的電阻存在壓降,同時(shí)如何對現(xiàn)場儀表進(jìn)行供電的也存在問題.在這種情況下,逐步采用電流進(jìn)行信號傳輸,電流不宜受噪聲干擾,可以實(shí)現(xiàn)較長距離傳輸.4～20 ma電流環(huán)有兩線制,三線制和四線制等多種.采用4 ma表示零信號,20 ma表示最大信號.在這里采用4～20 ma兩線制的方式設(shè)計(jì)了Zigbee協(xié)調(diào)器的信號接收器電路.該電路完成I/V變換,將4～20 ma的電流信號轉(zhuǎn)換成CC2530F256可以接收的電壓信號(I/V轉(zhuǎn)換電路如圖2所示).相比在4～20 ma電路中串聯(lián)取樣電阻,采用U=I*R獲取電壓的方法,電路轉(zhuǎn)化結(jié)果的穩(wěn)定性和精確度都要高.相比采用RCV420芯片的精密的I/V轉(zhuǎn)換電路,供電電源電壓要低,而且采用單電源供電.另外,線路輸入采用了高精度的模擬光耦HCNR200、LM158運(yùn)算放大器與主電路的隔離,尤其是主電路采用了CC2530F256的單片機(jī)系統(tǒng),這個(gè)隔離級可以起到保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)的作用.集成芯片HCNR200高線性度模擬光藕具有兩個(gè)緊密匹配的AlGaAs輸出光電二極管和一個(gè)輸入發(fā)光二極管.該輸入發(fā)光二極管可以被用來檢測、穩(wěn)定自身發(fā)光的強(qiáng)度,進(jìn)而減小發(fā)光二極管的非線性度和漂移.輸出光電二極管可以產(chǎn)生與發(fā)光二極管線性對應(yīng)的電流.通過發(fā)光二極管和光電二極管實(shí)現(xiàn)隔離.LM158是低功耗具有內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p路、高增益運(yùn)算放大器.整個(gè)4～20 ma接收器電路,線性度達(dá)0.01%.輸入的4～20 mA直流電流信號通過5.1 V穩(wěn)壓管Z1給單電源運(yùn)放LM158供電,運(yùn)放的輸入輸出兩端分別接有PD1、R1和LED,運(yùn)放輸出端調(diào)節(jié)LED的發(fā)光量,并構(gòu)成負(fù)反饋回路.電路中,R1、R3和R5采用高精度低溫漂電阻,降低因電阻精度或溫度漂移引起的轉(zhuǎn)換誤差.

圖2 I/V轉(zhuǎn)換電路

輸出電壓和輸入電流環(huán)電流的整體表達(dá)式為:

式中:R3為HCNR200的傳輸增益,典型值為1

VOUT輸出連接到CC2530F256的引腳,其內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換器采集接收器電路輸出的模擬電壓為數(shù)字量,暫存在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器當(dāng)中,準(zhǔn)備上傳或作為糧情參數(shù)警報(bào)的參考.

2.2 Zigbee協(xié)調(diào)器開關(guān)量輸入電路

開關(guān)量的輸入信號,在控制現(xiàn)場中大量存在.Zigbee協(xié)調(diào)器針對此情況,設(shè)計(jì)了開關(guān)量輸入電路,CC2530F256讀取開關(guān)量電路輸入到端口的高低電平并進(jìn)行分析,判斷出其采樣是“0”還是“1”,確定開關(guān)量輸入相應(yīng)的開關(guān)是“閉合”的還是“斷開”.但是由于工業(yè)現(xiàn)場存在著電、磁、溫度等各種干擾,再加上各類執(zhí)行器所要求的開關(guān)電壓量級及功率不同,所以在接口電路中除根據(jù)需要選用不同的元器件來設(shè)計(jì)電路外,還需要考慮各種緩沖、隔離和驅(qū)動電路的設(shè)計(jì).在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中,一般采用通道隔離技術(shù),開關(guān)量輸入通道的隔離最常采用的光耦合器.單片機(jī)用的是一組電源,外圍器件用的是另一組電源,兩者之間經(jīng)過光耦完全隔離了電氣聯(lián)系,只通過光的聯(lián)系來傳輸信息在開關(guān)量輸入通道中,信號頻率一般較低,光耦合器頻率特性不會影響信號傳輸,可以采用低頻率光耦,光耦輸出到CC2530F256所以光耦的輸出端電流不要求很大,綜合考慮后,輸入電路采用TPL541進(jìn)行隔離,同時(shí)采用了穩(wěn)壓管DW5.1.對輸入電壓在5 V以上進(jìn)行響應(yīng).

3 Zigbee無線糧情檢測儀的軟件設(shè)計(jì)

開發(fā)軟件采用IAR公司的集成開發(fā)環(huán)境Embedded Workbench for 8051 V7.6該開發(fā)環(huán)境支持TI公司的Zstack協(xié)議棧,協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)zigbee設(shè)備間的無線鏈接,在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)中使用flash存儲協(xié)調(diào)器組網(wǎng)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對路由表和綁定表的非易失性存儲,因此網(wǎng)絡(luò)具有一定的記憶功能.

TI開發(fā)的操作系統(tǒng)管理Z-Stack協(xié)議棧和應(yīng)用程序,采用確定時(shí)間節(jié)拍的事件輪循機(jī)制,當(dāng)各層初始化之后,系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式,當(dāng)事件發(fā)生時(shí),喚醒系統(tǒng),開始進(jìn)入中斷處理事件,結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式.如果有幾個(gè)事件同時(shí)發(fā)生,判斷優(yōu)先級,逐次處理事件.這種軟件構(gòu)架可以極大地降級系統(tǒng)的功耗.

整個(gè)Z-stack的主要工作流程,大致分為:

(1)系統(tǒng)啟動和驅(qū)動初始化

Osal-int-disable()關(guān)總中斷

Hal-board-int()初始化板上硬件設(shè)置

InitBoard()初始化I/O口

HalDriverInit()初始化HAL層驅(qū)動

sal-nv-init()初始化非易失性存儲器

等函數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟動和驅(qū)動初始化

(2)OSAL初始化和啟動

osal-init-system初始化操作系統(tǒng)

osal-mem-alloc()函數(shù)給各個(gè)任務(wù)分配內(nèi)存空間

等函數(shù)實(shí)現(xiàn)OSAL初始化和啟動

(3)任務(wù)輪循幾個(gè)階段

4 總 結(jié)

本文將糧情系統(tǒng)倉內(nèi)信息采集和倉外傳輸部分采用ZigBee無線互聯(lián)技術(shù),設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用TI公司的Zstack2.3.1最新協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)路由自動重構(gòu).ZigBee無線糧情檢測儀接口豐富,電路設(shè)計(jì)可以有效去除現(xiàn)場噪聲,避免對傳輸信號造成影響.功能多樣,兼容傳統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式,可以較好實(shí)現(xiàn)糧情溫濕度數(shù)據(jù)的采集,架構(gòu)簡單,檢測現(xiàn)場不需要進(jìn)行復(fù)雜的線路鋪設(shè)和連接,250k/s的傳輸速度,針對檢測與控制的應(yīng)用,ZigBee糧情檢測儀是可以滿足要求,隨著ZigBee路由算法的提高,在工業(yè)自動化監(jiān)控領(lǐng)域會獲得越來越廣闊的發(fā)展前景.

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Design of Wireless Grain Inspection Instrument Based on Zigbee

SONG Guo-qing1,LI Yan-wu2

(1.Qiqihar Teachers College,Qiqihar 161005,China;2.Heilongjiang Communications Holytechnic,Qiqihar 161000,China)

T his paper designs a wireless grain inspection system based on chip CC2530F256.T his system can collect data,process and control information,transmit over wireless,and be able to inspect grain in real time to ensure the safety and quality of storing grain.At the same time,it is also compatible with standard Modbus and able to communicate with PLC and upper computer.

grain inspection;collecting data;wireless networks;CC2530F256

TN923

A

1671-119X(2011)02-0053-03

2011-01-16

宋國清(1979-),男,碩士研究生,助教,研究方向:智能控制與嵌入式系統(tǒng).