1 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)包括分布式的傳感器節(jié)點,、網(wǎng)關(guān)節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等,。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,,節(jié)點布置在被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。每個傳感網(wǎng)絡(luò)裝備有一個連接到傳輸網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān),。網(wǎng)關(guān)通過傳輸網(wǎng)絡(luò)把被測數(shù)據(jù)從傳感區(qū)域傳到提供遠程連接和數(shù)據(jù)處理的基站,,基站再通過Internet連到遠程數(shù)據(jù)庫。最后采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)分析,、挖掘后通過一界面提供給終端用戶,。
本系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)是每個CC2430模塊掛接多個DS18820溫度傳感器。溫度傳感器按一定規(guī)律布置在糧庫中,,通過單總線與當(dāng)前CC2430模塊連接,;利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)將這些CC2430模塊組網(wǎng),并把數(shù)據(jù)發(fā)送到本倉數(shù)據(jù)集中器,,通過網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)集中器與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控主機連接,,如圖1所示。最后通過Internet將遠程終端用戶與當(dāng)?shù)乇O(jiān)測系統(tǒng)連接,,實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)化糧庫數(shù)量監(jiān)控,,如圖2所示。
2 傳感器布置模型
平房倉糧堆溫度數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)監(jiān)測點布置平面示意圖如圖3所示,。倉內(nèi)溫度傳感器的設(shè)定是相對東,、南、西,、北側(cè)墻向內(nèi)每側(cè)各布置3組溫度傳感器,,其中每組間距為1 m,;東、南,、西,、北各側(cè)由墻向內(nèi)布置的間距分別是0.25 m、0.25 m,、0.5 m,、1.0 m、1.0 m……,。
平房倉糧堆溫度數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)監(jiān)測點立面示意圖如圖4所示,。糧堆溫度監(jiān)測點分別由糧面向下和由倉底向上布置,按照6m裝糧高度每根單總線電纜設(shè)置8只溫度傳感器,,自糧面向下及自倉底向上傳感器布置間距為0.30 m,、0.70 m、1.0 m,、1.0 m,。對倉內(nèi)東、南,、西,、北各側(cè)3組同一平面的3個糧堆溫度監(jiān)測點的數(shù)據(jù)信息采取求平均值的方法進行整理,以提高監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的可靠性和準(zhǔn)確性,。
3 DS18B20單總線溫度傳感器
DS18820數(shù)字溫度計提供9位(二進制)溫度讀數(shù),,指示器件的溫度信息經(jīng)過單線接口送入DS18820或從DS18820送出,因此從主機CPU到DS18820僅需一條線(和地線),。DS18820的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供,,而不需要外部電源。因為每一個DS18820在出廠時已經(jīng)給定了唯一的序號,,因此任意多個DS18820可以存放在同一條單線總線上,,這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。DS18820的測量范圍從-55℃~+125℃,,增量值為0.5℃,,可在1 s(典型值)內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。DS18820與CC2430的接口電路如圖5所示,。
多個DS18820讀溫度流程如下:復(fù)位→發(fā)55HMATCHROM命令→發(fā)64位地址→發(fā)44H開始轉(zhuǎn)換命令→延時→復(fù)位→發(fā)55HMATCHROM命令→發(fā)64位地址→發(fā)0BE讀存儲器命令→連續(xù)讀出2字節(jié)數(shù)據(jù)(即溫度)→復(fù)位→讀下一個器件溫度,。
4 CC2430模塊
4.1 CC2430芯片的主要特點
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu),在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端,、內(nèi)存和微控制器,。它使用1個8位MCU(8051),具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM,,還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC),、幾個定時器(timer),、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器(watchdogtimer),、32 kHz晶振的休眠模式定時器,、上電復(fù)位電路(power on reset)、掉電檢測電路(brown out detection),,以及21個可編程I/O引腳,。CC2430芯片采用0.18 μmCMOS工藝生產(chǎn),;在接收和發(fā)射模式下,,電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性,,特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用,。
CC2430芯片的主要特點如下:高性能和低功耗的8051微控制器核;集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機,;優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性,;在休眠模式時僅0.9μA的流耗,外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng),;在待機模式時少于0.6μA的流耗,,外部的中斷能喚醒系統(tǒng);硬件支持CSMA/CA功能,;較寬的電壓范圍(2.0~3.6 V),;數(shù)字化的RSSI/LQI支持和強大的DMA功能;具有電池監(jiān)測和溫度感測功能,;集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC,;集成AES安全協(xié)處理器;帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的USART,,以及1個符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC計時器,,1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器;強大和靈活的開發(fā)工具,。
4.2 CC2430模塊設(shè)計
CC2430芯片需要很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能,。電路使用一個非平衡天線,連接非平衡變壓器可使天線性能更好,。電路中的非平衡變壓器由電容C112和電感L102,、L100、L101以及1個PCB微波傳輸線組成,,整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50 Ω)的要求,。內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和PA之間的交換。用1個32 MHz的石英諧振器(X100)和2個電容(C108和C109)構(gòu)成一個32 MHz的晶振電路,。用1個32.768 kHz的石英諧振器(Y100)和2個電容(C110和C111)構(gòu)成一個32.768 kHz的晶振電路,。電壓調(diào)節(jié)器為所有要求1.8 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電,,C115、C100,、C101,、C104、C102,、C113,、C103、C107,、C106,、C105電容是去耦合電容,用于電源濾波,,以提高芯片工作的穩(wěn)定性,,R101、R102為電流提供精確的偏置電阻,,如圖6所示,。
5 軟件設(shè)計
5.1 上位機軟件設(shè)計
本系統(tǒng)中,上層管理軟件采用3層C/S模式,,實時對傳感器網(wǎng)絡(luò)送來的數(shù)據(jù)進行處理,,形成用戶最終關(guān)心的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式。局域網(wǎng)內(nèi)的終端用戶在經(jīng)過授權(quán)后,,可以讀取監(jiān)控主機上的實時數(shù)據(jù),,實現(xiàn)遠程的監(jiān)測。監(jiān)控應(yīng)用軟件還對傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點進行跟蹤管理,。對于監(jiān)控到的異常情況,,上層管理軟件使用聲光、短信,、電話實時報警方式,。可顯示參數(shù)列表,、實時曲線圖(對應(yīng)具體數(shù)值并任意調(diào)整坐標(biāo)),、實時數(shù)據(jù)、折算數(shù)據(jù),、累計數(shù)據(jù),、歷史、報警畫面,、報表等多種顯示,。統(tǒng)計功能可根據(jù)用戶需求具體設(shè)計。
5.2 下位機軟件設(shè)計
在網(wǎng)絡(luò)中,,每個節(jié)點都有一個固定的地址,。連接于監(jiān)控主機的傳感器節(jié)點是一個特殊的節(jié)點,,它采用串行接口與監(jiān)控主機通信。數(shù)據(jù)的傳送采用主從站方式,,與監(jiān)控主機連接的節(jié)點作為主站,,控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信時序;其他節(jié)點作為從站,,可以被主站尋址,。主節(jié)點主要完成采集各從節(jié)點數(shù)據(jù),進行預(yù)處理,;從節(jié)點主要完成各種傳感器原始數(shù)據(jù)的采集工作,,如圖7所示。
6 結(jié) 論
該無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)以低成本,、低功耗無線單片機CC2430為核心,,采用DS18820溫度傳感器獲取數(shù)據(jù),電路結(jié)構(gòu)簡單,、工作穩(wěn)定可靠、檢測精度高,,且具有無線數(shù)據(jù)通信靈活方便等特點,,特別適用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境、監(jiān)測封閉空間和其他需要多點監(jiān)測的特殊場合,。該網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用極大地提高了中央儲備糧管理水平,,降低了管理成本,同時提高了糧庫的安全性,。