劉　娜

(遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，丹東 118009 )

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劉娜

(遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，丹東 118009 )

摘要:糧倉需要防火、防腐、防潮、通風，其中溫濕度是保證糧倉內(nèi)糧食長期安全儲存的重要條件。目前大部分采用人工查看，出現(xiàn)險情則采取相應(yīng)控溫控濕措施。由于檢測報警不及時、火災(zāi)、人工差錯等問題可能導(dǎo)致庫存糧食損失，本文設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由檢測點傳感器、ZigBee模塊和計算機系統(tǒng)組成，實時檢測溫濕度和煙霧等，可以設(shè)置報警上下限值，管理員可根據(jù)情況采取相應(yīng)措施。

關(guān)鍵詞:DHT11；ZigBee；煙霧傳感器

引言

無線傳輸技術(shù)主要有藍牙、WiFi、IrDA、NFC和ZigBee等。無線傳輸ZigBee是基于IEEE802標準的無線連接，有3個工作頻點，分別對應(yīng)3種傳輸頻率。ZigBee模塊采用TI高性能無線芯片CC2530開發(fā)，是一種低成本、高度集成的UHF收發(fā)器，專為遠距離組網(wǎng)無線應(yīng)用而設(shè)計。理論節(jié)點多達幾萬，組網(wǎng)后距離可以無限延伸。ZigBee 技術(shù)在低功耗、低成本和組網(wǎng)能力方面具有無可比擬的應(yīng)用優(yōu)勢[1]。

1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1.1系統(tǒng)方案

由于糧倉比較多、分布分散和距離管理中心較遠等現(xiàn)狀，傳統(tǒng)的傳輸方式布線困難，ZigBee無線傳輸很好地解決了這些問題。

在各類糧倉現(xiàn)場等工作人員難以到達的區(qū)域，環(huán)境溫濕度及煙霧的狀況是重要的參數(shù)，因此，對環(huán)境溫濕度的準確、及時監(jiān)控，具有重要意義。

本文采用一款2.4 GHz頻段、250 bps高速度、低功耗的基于微處理器CC2530技術(shù)的ZigBee模塊，設(shè)計一個多點環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)由多個環(huán)境監(jiān)測點(ZigBee接入節(jié)點，以下簡稱接入節(jié)點)，各自采集所在環(huán)境的溫濕度及煙霧,以點播方式無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器。中心節(jié)點(ZigBee中心節(jié)點，以下簡稱中心節(jié)點)收到所有接入節(jié)點的數(shù)據(jù)，進行處理后送給PC機。在PC機中可以查詢顯示出多個檢測點的溫度和濕度等數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)可以方便對多個監(jiān)測點進行處理，杜絕了糧食損失的各種險情發(fā)生，可預(yù)防重大事故火災(zāi)發(fā)生[2]。

系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖1所示，系統(tǒng)由一個ZigBee中心節(jié)點和多個ZigBee接入節(jié)點組成。ZigBee中心節(jié)點由CC2530F256、CC2591組成。接入節(jié)點由CC2530F256作為糧倉數(shù)據(jù)采集模塊，每個接入節(jié)點由多個DHT11傳感器、1個煙霧傳感器MQ-2和CC2530F256芯片構(gòu)成。工作時，接入節(jié)點置于被測環(huán)境中，利用CC2530對一個糧倉內(nèi)的多個處溫濕度及煙霧進行測量，將測量數(shù)據(jù)通過2.4 GHz標準天線發(fā)射出去。

圖1　基于ZigBee的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)框圖

ZigBee中心節(jié)點作為數(shù)據(jù)的接收端，通過USB線連接到測量人員計算機系統(tǒng)中。中心節(jié)點帶有LCD12864顯示屏，接收的糧庫數(shù)據(jù)處理后，顯示在液晶屏LCD12864上，工作人員還可以通過計算機查看各種數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)直接存儲在中心節(jié)點上，PC機中也有數(shù)據(jù)備份，可以通過計算機或中心節(jié)點設(shè)置各個糧倉環(huán)境監(jiān)測點的溫濕度報警上下限，達到報警值時可以關(guān)閉相應(yīng)的控制繼電器開關(guān)[3]。

1.2系統(tǒng)電源模塊

ZigBee中心模塊和節(jié)點電源使用HT7533將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V，各模塊工作電壓為1.9～3.6 V。接入節(jié)點采用電池供電，電路原理圖如圖2所示[2]。

圖2　電源電路原理圖

1.3中心節(jié)點ZigBee PA模塊

CC2530是集IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用于一體的芯片系統(tǒng)。它以低功耗、低成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530集成了RF收發(fā)器以及經(jīng)典的8051單片機， CC2530片內(nèi)有256 KB Flash和RAM，有多種工作模式，保證超低功耗。

該芯片利用ZigBee協(xié)議?？梢院唵螛?gòu)成無線通信系統(tǒng)。只需一個晶振，即可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需要。經(jīng)過CC2591芯片的放大，可靠傳輸距離為400 m，自動重新連接距離為350 m。CC2591芯片是TI公司推出的產(chǎn)品，一般用于射頻前端的功率放大、低噪聲放大電路[4]。ZigBee PA模塊電路原理圖如圖3所示。

圖3　ZigBee PA模塊電路原理圖

1.4中心節(jié)點的顯示模塊

系統(tǒng)中需要將信息和數(shù)據(jù)進行顯示，LCD12864液晶性價比高，有并行、2線或3線串行連接方式。片內(nèi)有8 192個16×16漢字和128個16×8點陣ASCII字符，可以直接進行中文顯示，分辨率為128×64，可完成圖形或字符顯示。本系統(tǒng)使用串行連接方式，需要連接的引腳如表1所列。

表1　LCD12864串行連線說明

1.5中心節(jié)點的串口轉(zhuǎn)USB模塊

PL2303芯片是Prolific 公司生產(chǎn)的一種性價比高、集成度高的USB轉(zhuǎn)RS232橋接控制器，可以實現(xiàn)PC與中心節(jié)點之間的連接。在計算機中安裝PL2303驅(qū)動后，通過計算機的USB口，使用串行口軟件監(jiān)控中心節(jié)點，電路原理圖如圖4所示。

圖4　中心節(jié)點的串口轉(zhuǎn)USB電路原理圖

1.6接入節(jié)點模塊

糧庫生產(chǎn)中一般采用在線測量方法，傳感器放置在糧庫生產(chǎn)車間，同時現(xiàn)場也可以觀看，數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C中實時記錄，數(shù)據(jù)可導(dǎo)出備份。糧倉園形直徑為18 m，高1.3 m，使用了16個溫濕傳感器及1個煙霧傳感器,由一個ZigBee接入節(jié)點控制。其中,部分P1口引腳和P2引腳已經(jīng)引出作為傳感器控制使用,接入節(jié)點CC2530電路原理圖略——編者注。

1.7接入節(jié)點的傳感器模塊

DHT11是復(fù)合型溫、濕度傳感器，內(nèi)部有一個電阻式感濕傳感器和一個熱敏電阻溫度傳感器,具有測量速度快、精度高、可靠穩(wěn)定、物美價廉等優(yōu)點。該傳感器出廠前被精密校準，偏差寫在芯片內(nèi)部。傳感器測量外界信號時，通過調(diào)整偏差提高了精度。單數(shù)據(jù)線使系統(tǒng)集成方便簡單，可以滿足較為苛刻條件的要求。

圖5　溫濕度傳感器的電路原理圖

溫濕度傳感器的電路原理圖如圖5所示。1引腳為電源引腳，2引腳為CMDATA數(shù)據(jù)線，配有10 kΩ上拉電阻,3引腳懸空，4引腳接地。測量數(shù)據(jù)每次讀取40個字節(jié)，高位在前，低位在后，數(shù)據(jù)格式8個字節(jié)濕度整數(shù)+8個字節(jié)濕度小數(shù)+8個字節(jié)溫度整數(shù)+8個字節(jié)溫度小數(shù)+8個字節(jié)校驗和。

1.8煙霧傳感器

煙霧傳感器就是通過監(jiān)測煙霧的濃度來實現(xiàn)火災(zāi)防范。煙霧報警器內(nèi)部采用離子式煙霧傳感，離子式煙霧傳感器是一種技術(shù)先進、工作穩(wěn)定可靠的傳感器，被廣泛運用到各種消防報警系統(tǒng)中，性能遠優(yōu)于氣敏電阻類的火災(zāi)報警器。煙霧傳感器模塊電路原理圖如圖6所示。

圖6　煙霧傳感器電路原理圖

MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其他可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。

電路通過檢測外界有毒氣體和煙霧情況的情況，將信息通過LCD12864顯示和串口打印出來并報警。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

下位機軟件開發(fā)平臺結(jié)合了IAR公司的IAR-EW8051-760A集成開發(fā)環(huán)境和TI公司提供的ZigBee協(xié)議棧：ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0，在IAR軟件中可以直接使用協(xié)議棧，通過調(diào)用相關(guān)函數(shù)即可。軟件和協(xié)議棧版本必須配套使用。

ZigBee的通信方式有點播、組播、廣播。本系統(tǒng)采用點播方式[5]，中心節(jié)點程序流程圖如圖7所示。接入節(jié)點流程圖如圖8所示。

圖7　中心節(jié)點程序流程圖

圖8　接入節(jié)點程序流程圖

上位機軟件采用美國國家儀器公司(NI)的圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW進行編寫，以實現(xiàn)中心節(jié)點與上位機進行串口通信。LabVIEW是一種圖形化編程語，主要任務(wù)是設(shè)計程序框圖和前面板，顯示各糧倉的檢測點溫濕度、有無火情隱患等。

3實驗數(shù)據(jù)

通過中心節(jié)點查看，LCD12864顯示一個糧倉的溫濕度煙霧情況如圖9所示。在PC機上查看的畫面如圖10所示。

圖9　中心節(jié)點LCD數(shù)據(jù)顯示畫面

圖10　糧倉溫濕度畫面

結(jié)語

本文給出了一種基于無線收發(fā)芯片CC2530的無線溫濕度測控系統(tǒng)。系統(tǒng)由接入節(jié)點、中心節(jié)點及PC組成，著重對系統(tǒng)中的接入節(jié)點、中心節(jié)點等各部分的硬件設(shè)計做了詳細的介紹，給出了部分軟件流程圖及數(shù)據(jù)顯示畫面。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

參考文獻

[1] 杜軍，馬俊，周亞強.基于ZigBee技術(shù)的電子標簽識別系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015,15 (3): 54-57.

[2] 劉彤，謝永超，汪科.ARM和ZigBee的遠程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，12 (9):49-52.

[3] 李志，韋鵬程.一種基于ZigBee的分布式井蓋監(jiān)控系統(tǒng)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014,14 (5): 56-57.

[4] 吳祥，康戈文.ZigBee的遠程低功耗灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013，13(4):64-67.

[5] 許馳.物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的智能火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013，13(2):62-65.

Liu Na

(Information Department Liaoning Jidian Polytechnic,Dandong 118009,China)

Abstract：The fire protection,corrosion protection,moisture,ventilation,the temperature and humidity are the important conditions to ensure the long-term safe storage of grain in the barn.At present,most of the current granary uses artificial view,the corresponding temperature control measures are adopted to control the danger.Due to the detection of the alarm is not timely,fire,artificial error and other phenomena,it may lead to the loss of inventory.Therefore,the barn temperature and humidity monitoring system based on ZigBee is designed.The system is consist of the detection point sensor,ZigBee module and computer system,which can real-time detect the temperature and humidity and smoke.It can set the alarm limit,the administrator can take the appropriate measures.

Key words:DHT11;ZigBee;smoke sensor

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-12-06)

中圖分類號:TP273

文獻標識碼:A

* 基金項目：遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院2016度院級教研課題(基于電子產(chǎn)品的單片機實訓(xùn)室建設(shè)與研究)。