無線溫度傳感網(wǎng)絡在冰箱性能檢測系統(tǒng)中的應用

在冰箱性能檢測中，溫度是一項主要指標。在一條現(xiàn)代冰箱生產(chǎn)線上，通常需要幾百甚至上千個溫度探頭。傳統(tǒng)的模擬溫度傳感器探頭的兩根導線經(jīng)切換開關(guān)矩陣連接到數(shù)據(jù)采集處理模塊上。這種方式存在諸多技術(shù)問題（如布線問題、多點切換誤差問題），可靠性差和零點漂移誤差校準復雜，同時系統(tǒng)建設復雜、維護成本較高。而第二代溫度采集系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器（例如DS18B20）,并利用RS485單總線傳輸數(shù)據(jù)，精度高，抗干擾性強，一條數(shù)據(jù)總線上可以連接256個傳感器,從而解決了傳輸線數(shù)量繁多的問題，而且精度高、抗干擾性強。但是，這種結(jié)構(gòu)一旦總線發(fā)生故障,所有器件將失去與控制中心的數(shù)據(jù)交換，從而使檢測系統(tǒng)無法正常運行。此外，在滑軸線測試方式中，冰箱隨滑軸線傳送帶不停地移動，并不斷有受檢冰箱的增加或減少，因此，使用RS485總線仍有諸多不便。近年來，無線傳感網(wǎng)絡的大容量（ZigBee無線傳感系統(tǒng)最多可容納6萬多個節(jié)點）、低功耗、高可靠性、無需布線等特點，使其在工業(yè)監(jiān)控和檢測中得到廣泛應用。本文以溫度數(shù)據(jù)采集為例，介紹了無線傳感網(wǎng)絡在冰箱性能檢測系統(tǒng)中的應用。

ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡容量大、時延短、安全可靠、工作頻段靈活等諸多優(yōu)點，是目前普遍采用的無線傳感網(wǎng)解決方案工。2009年4月，TI公司推出了第二代IEEE802.15.4/ZigBee無線單片機CC2530。本文就是以ZigBee技術(shù)為依托，以CC2530為核心，結(jié)合MAXIM半導體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字式溫度傳感器DS18B20來設計無線溫度傳感網(wǎng)絡。

1  系統(tǒng)硬件組成

      滑軸線式冰箱性能檢測系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

在檢測線上,冰箱隨滑軸線傳送帶不停地循環(huán)移動，且冰箱不斷增加或減少，因此，采用無線檢測系統(tǒng)就能滿足動態(tài)需求，同時可以解決以往有線檢測系統(tǒng)因惡劣工作環(huán)境而引起的傳輸總線故障等問題。

由一定量的無線終端節(jié)點（無線溫度傳感模塊）加上協(xié)調(diào)器節(jié)點組成無線溫度傳感網(wǎng)絡。每個終端節(jié)點由無線單片機，溫度傳感器，電源等三部分組成。圖2所示是其終端節(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖。而協(xié)調(diào)器節(jié)點則不包含溫度傳感器。每個終端節(jié)點控制四個溫度傳感器（可以按實際需要增減個數(shù)，也可連接其它類型的傳感器），可采集冰箱內(nèi)的溫度。終端節(jié)點分別采集四個溫度數(shù)據(jù)并存儲在存儲區(qū),然后采用無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點并傳遞給PC機做進一步處理。由N個節(jié)點組成的無線傳感網(wǎng)絡的拓樸結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.1  無線單片機模塊

無線單片機選用TI公司的CC253O芯片能夠以非常低的成本建立網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530具有不同的運行模式，可適應超低功耗要求的系統(tǒng)，運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短，因而可進一步確保低能耗。 CC253O的RF收發(fā)器工作于2.4GHz的ISM頻段，且具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能。CC253O的工作環(huán)境溫度范圍是－40 °C?＋125 °C,其外圍電路設計如圖4所示。

1.2  溫度采集模塊

       溫度采集模塊選用美國MAXIM半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器

       DS18B20,該傳感器支持“一線總線”接口，并可大大提高系統(tǒng)的抗干擾性，比較適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，測量溫度范圍為一55°C?+125°C。DS18B20的幾個特性包括：64位光刻ROM,內(nèi)置產(chǎn)品序列號，每個芯片唯一編碼；內(nèi)置EEPROM,且具備限溫報警功能；零待機功耗；無需外部器件等。DS18B20的輸出數(shù)據(jù)為兩個字節(jié)，最高達12位分辨率,也可以設置為11,10,9三種。DS18B20的外觀及寄生電源工作方式的工作電路如圖5所示。

1.3  電源模塊

本系統(tǒng)采用LTC3441高效DC/DC轉(zhuǎn)換器來設計直流穩(wěn)壓源，它在輸入電壓高于、低于或等于輸出 電壓的條件下仍能進行工作，輸出電壓穩(wěn)定度高。其電路設計及輸出效率示意圖如圖6所示。

2  系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)工作時，終端節(jié)點將按照預設的工作方式（例如每30秒對四個傳感器采集一次）進行溫度采集，之后，數(shù)據(jù)將通過無線方式發(fā)送到網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點并傳送給PC機進行下一步的處理。

2.1  系統(tǒng)主程序

本系統(tǒng)軟件主要完成初始化、網(wǎng)絡建立、溫度讀取、數(shù)據(jù)收發(fā)和報警輸出等功能，其主程序流程如圖7所示。

2.2  系統(tǒng)組網(wǎng)

ZigBee協(xié)議規(guī)范中共定義了三種類型的節(jié)點，分別是協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點。本設計結(jié)構(gòu)簡單，可釆用星形拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，但不包含路由節(jié)點。協(xié)調(diào)器節(jié)點負責組建整個網(wǎng)絡，可選擇網(wǎng)絡通信信道，以及管理網(wǎng)絡中網(wǎng)絡節(jié)點的入網(wǎng)及退網(wǎng)。終端節(jié)點負責對傳感器進行操作，完成協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送的命令并進行匯報。

在協(xié)調(diào)器節(jié)點啟動并初始化后，可開始著手組建網(wǎng)絡。首先由協(xié)調(diào)器節(jié)點進行信道掃描，并選擇一個空閑的信道，之后再設置自己的網(wǎng)絡PANID、16位網(wǎng)絡地址以及ZigBee網(wǎng)絡的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)參數(shù)等。這些設置完成以后，整個ZigBee網(wǎng)絡就初步組建完成了，之后就可以接受其他節(jié)點進入網(wǎng)絡中。當節(jié)點A向協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)申請后，協(xié)調(diào)器確認自己是否有能力接受該節(jié)點，如果能接受該節(jié)點，就為它隨機分配一個網(wǎng)絡中唯一的16位網(wǎng)絡地址，并發(fā)出入網(wǎng)應答，節(jié)點A收到應答就標志著成功加入網(wǎng)絡。已入網(wǎng)的節(jié)點A離開網(wǎng)絡時首先向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送解除網(wǎng)絡關(guān)系請求，當節(jié)點A收到解除應答后就成功離開網(wǎng)絡。

2.3  溫度傳感器DS18B20的操作流程

因為DS18B20的硬件比較簡單，所以，每次操作DS18B20都必須進行復雜且精準的時序操作，否則，DS18B20將無法做出回應。訪問DS18B20的執(zhí)行序列主要分成三步：包括初始化、ROM操作命令和功能命令。當DS18B20采用寄生電源方式且總線上有多個DS18B20時，總線控制器即可啟動溫度轉(zhuǎn)換，然后讀取溫度，其操作步驟如表1所列。

DS18B20每次讀取溫度值后都會拿溫度數(shù)據(jù)與用戶預置在溫度報警觸發(fā)器TH與TL中的值進行比較。若大于TH或小于TL,則建立報警標志位并輸出報警信號。用戶處理完畢后，溫度檢測正常，報警信號自動消除。

DS18B20的數(shù)據(jù)輸出與溫度之間的對應關(guān)系如表2所列。

2.4  數(shù)據(jù)收發(fā)

DS18B20釆集溫度后，將以整形數(shù)據(jù)形式傳送給CC2530并存儲在其數(shù)據(jù)存儲區(qū)。CC2530確認數(shù)據(jù)接收完畢后，可配置收發(fā)寄存器并將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，同時由協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機做下一步的處理。

PC機可以通過協(xié)調(diào)器節(jié)點同時對全部或者部分終端節(jié)點進行間接控制，例如改變溫度采集頻率或者進行即時更新等。

3  結(jié)語

ZigBee無線傳感網(wǎng)分布密度大，節(jié)點數(shù)量多，穩(wěn)定可靠。數(shù)字式溫度傳感器DS18B20集溫度測量、A/D轉(zhuǎn)換與一體,體積小，具有一線總線結(jié)構(gòu)，數(shù)字輸出，而且溫度讀取簡單、直觀，精確度高，開發(fā)過程簡單。以此為基礎設計的無線溫度傳感網(wǎng)絡硬件簡單，穩(wěn)定性好，可靠性高,可同時監(jiān)控數(shù)千至上萬臺冰箱，因而系統(tǒng)一次性建設成本和后期維護成本較低，非常適合大規(guī)模工業(yè)檢測。實際應用中，還可根據(jù)需求將溫度傳感器和其他傳感器一同掛接在無線單片機上組成多指標的無線傳感網(wǎng)絡，其方法與此文講到的方法類似,本文不再詳細闡述。實際使用證明，該設計具有一定的實際應用價值和推廣價值。