基于ZigBee的窖池遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)

尹瑾　楊炳旺　張宗玉

摘要：針對(duì)當(dāng)前國內(nèi)白酒行業(yè)市場(chǎng)需求量大，但總體機(jī)械化程度較低的實(shí)際情況，研發(fā)了一種以低功耗、節(jié)能環(huán)保為基本理念，基于ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用TI（Texas Instruments）公司的CC2530射頻芯片以及DHT11溫、濕度傳感器，在ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，功耗低，可以滿足窖池現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控的需要。

關(guān)鍵詞：ZigBee模塊；CC2530；DHT11

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）05-0259-02

1引言

目前國內(nèi)白酒行業(yè)依然是一個(gè)傳統(tǒng)方式生產(chǎn)、勞動(dòng)密集型的行業(yè)，市場(chǎng)需求量大但總體機(jī)械化程度較低。特別是受勞動(dòng)力成本不斷攀升、土地資源日益緊張和國家發(fā)展高效、低耗產(chǎn)業(yè)政策的影響，中國白酒改變傳統(tǒng)生產(chǎn)方式已經(jīng)迫在眉睫。為了改變這個(gè)現(xiàn)狀，開發(fā)一套能夠滿足窖池內(nèi)溫、濕度等參數(shù)檢測(cè)和反饋控制要求的硬件設(shè)備和軟件系統(tǒng)，早日實(shí)現(xiàn)白酒行業(yè)的機(jī)械化與智能化，對(duì)提高行業(yè)的整體生產(chǎn)效率都是很有價(jià)值意義的。

近年來，隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一種介于RFID（Radio Frequency Identification） 和藍(lán)牙之間的短距離通信技術(shù)，即ZigBee技術(shù)。相比于藍(lán)牙傳輸距離短成本高和WIFI覆蓋范圍小的局限性，ZigBee是一種低成本、低功耗、容量大的低速無線個(gè)域網(wǎng)技術(shù)。主要適用于實(shí)時(shí)傳送的自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可嵌入到各種設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制智能化。由于窖池的溫濕度遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和容量要求較高而對(duì)速率要求不太高，所以使用ZigBee進(jìn)行窖池的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以節(jié)約成本，提高現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控水平。

2 總體方案設(shè)計(jì)

為了達(dá)到對(duì)窖池遠(yuǎn)行測(cè)控與管理的目的，系統(tǒng)必須可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)據(jù)顯示等功能。因此該系統(tǒng)主要由3部分組成：進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)、進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)以及后臺(tái)顯示系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)以基于ZigBee技術(shù)的無線射頻芯片CC2530為中央控制器，通過DHT11溫、濕度傳感器對(duì)溫度、濕度環(huán)境實(shí)時(shí)采集并將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)上；數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)主要通過中心節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，接收來自傳感器子節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)；后臺(tái)顯示系統(tǒng)基于ZigBee協(xié)議通過嵌入式屏和組態(tài)軟件，實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以直觀的展示到屏幕上。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要包括溫、濕度傳感器模塊、CC2530微處理器模塊、串口通信模塊。

3.1基于ZigBee的溫、濕度傳感器模塊

傳感器模塊主要由傳感器和射頻芯片組成，其設(shè)計(jì)圖如圖所示，該終端以基于ZigBee技術(shù)的無線射頻芯片CC2530為中央控制器，它可通過DHT11濕度傳感器溫度對(duì)溫度、濕度環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)窖池酒醅內(nèi)部溫度、濕度的測(cè)量。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，相比于其他溫、濕度傳感器，它的電路連接簡(jiǎn)單、體積小，信號(hào)傳輸快，集成度高，可同時(shí)進(jìn)行溫度、濕度的測(cè)量。此外，DHT11具有品質(zhì)好、反應(yīng)快、精度高、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，它的溫度測(cè)量精度是2℃，濕度測(cè)量精度為5.0%RH，非常適合本系統(tǒng)的測(cè)量。

3.2 CC2530射頻收發(fā)模塊

射頻收發(fā)模塊選擇TI公司的CC2530射頻芯片，它是TI公司推出的新一代ZigBee標(biāo)準(zhǔn)片上解決芯片，可用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 。CC2530結(jié)合了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器，和高性能、低功耗的增強(qiáng)型8051微處理器內(nèi)核，具有抗干擾性能。此外，它的集成度較高，只需很少的外圍元件，就可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需要。

CC2530 具有很高的接收靈敏度，可編程輸出功率可高達(dá)4.5dBm。同時(shí)，它具有不同的運(yùn)行模式且運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。

3.3 串口通信模塊

本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)用的是ZigBee協(xié)議通信，而主機(jī)和PC機(jī)應(yīng)用的是串口通信，通過DRF1605-RS232轉(zhuǎn)換器，使RS232轉(zhuǎn)換為UART，將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232接口讀至PC機(jī)上，并通過PC機(jī)上的顯示屏顯示。

4 軟件設(shè)計(jì)

該軟件系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集傳送功能，子節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的傳輸通信功能，中心節(jié)點(diǎn)設(shè)備接收功能及串口的發(fā)送與顯示功能，所以系統(tǒng)包括子節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)和中心節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)兩部分。系統(tǒng)代碼采用C語言開發(fā)，利用C語言可實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的全部功能且C語言簡(jiǎn)單明了，有利于軟件代碼可讀性。

4.1子節(jié)點(diǎn)程序?qū)崿F(xiàn)

子節(jié)點(diǎn)的任務(wù)包括網(wǎng)絡(luò)連接和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)開始工作后，子節(jié)點(diǎn)不斷進(jìn)行掃描是否有可加入的網(wǎng)點(diǎn)，發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng)后加入網(wǎng)絡(luò)，成功加入網(wǎng)絡(luò)后開始對(duì)傳感器進(jìn)行定時(shí)掃描，然后將從傳感器上的采集到的數(shù)據(jù)連同自己的網(wǎng)絡(luò)地址通過無線傳輸方式打包發(fā)送中心節(jié)點(diǎn)，以此達(dá)到數(shù)據(jù)采集傳送功能。

4.2中心節(jié)點(diǎn)程序?qū)崿F(xiàn)

中心節(jié)點(diǎn)的任務(wù)包括建立網(wǎng)絡(luò)，可允許和拒絕子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，確定子節(jié)點(diǎn)位置并將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上。系統(tǒng)開始工作后，中心節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)并等待子節(jié)點(diǎn)的加入，子節(jié)點(diǎn)加入之后，檢測(cè)子節(jié)點(diǎn)所攜帶的無線數(shù)據(jù)，接收之后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將溫度信息和子節(jié)點(diǎn)的地址存儲(chǔ)在主機(jī)內(nèi)部并通過串口發(fā)送到PC機(jī)上進(jìn)行顯示。

5 結(jié)束語

這是一種基于ZigBee技術(shù)的無線溫濕度采集系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)以低成本、低功耗的CC2530無線收發(fā)芯片為核心，以TI公司Zstack協(xié)議棧為平臺(tái)，利用DHT11濕度傳感器現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，通過RS232串口與顯示屏相連，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度的實(shí)時(shí)顯示和控制。實(shí)踐表明，基于ZigBee技術(shù)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)溫度、濕度測(cè)量準(zhǔn)確性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定工作，體積小成本低，便于安裝維護(hù)，對(duì)于窖池的遠(yuǎn)程監(jiān)控具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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