引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的迅猛發(fā)展，超大規(guī)模的生產(chǎn)廠房不斷涌現(xiàn)。半導(dǎo)體等潔凈廠房對環(huán)境指標(biāo)要求較為嚴格，保持車間內(nèi)的各類環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定可以大大提高產(chǎn)品的良品率[1]。該類環(huán)境參數(shù)自動控制通過空調(diào)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)、空氣過濾系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等各類子系統(tǒng)的協(xié)作來實現(xiàn)。因此，如何在一個生產(chǎn)廠房內(nèi)設(shè)計出一套先進、可靠的環(huán)境參數(shù)監(jiān)視和控制系統(tǒng)對保證生產(chǎn)質(zhì)量以及工作人員舒適性有著十分重要的現(xiàn)實意義。

本文以大規(guī)模廠房為背景，論述一種融合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)( Wireless?Sensor Network, WSN)技術(shù)的廠房溫濕度監(jiān)控方案。基于WSN的溫濕度采集節(jié)點可?以自組織形成一個傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂质沟貌杉?jié)點的移動性得到加強。無線采集節(jié)點布置時的靈活性彌補了傳統(tǒng)有線溫濕度監(jiān)控的不足，同時其安裝費用低廉，可滿足大規(guī)模廠房里多節(jié)點溫濕度測量和控制的需求[2]。

1 ?無線傳感器網(wǎng)絡(luò)介紹

1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由傳感器節(jié)點組成并通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可用于實現(xiàn)協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息并發(fā)送給觀察者等功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在滿足了靈活性、可靠性和安全性的同時，可降低工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測成本，同時縮減傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的繁瑣流程，為隨機性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利。當(dāng)前比較常見的組網(wǎng)方式有無線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、藍牙( Bluetooth)和ZigBee技術(shù)。

1.2?ZigBee介紹

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準的可靠、安全、網(wǎng)絡(luò)拓撲能力強并且低成本的雙向通信技術(shù)[3]。相比于其他常見的無線通信方式，ZigBee具有功耗低、組網(wǎng)能力強、協(xié)議簡單、成本低等優(yōu)點，單個協(xié)調(diào)器可以組建出一個可容納超過65000個子節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)議棧工作效率很高，其協(xié)議層從底層到頂層可分為物理層(PHY)、介質(zhì)訪問控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、安全層和應(yīng)用層(API)，協(xié)議?？蚣苋鐖Dl所示。

1.3?ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)按結(jié)構(gòu)可劃分為星形、樹形、網(wǎng)狀三種拓撲，如圖2所示。星型結(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)最簡單，由一個協(xié)調(diào)器完成網(wǎng)絡(luò)建立，可將具有目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符( PANID)的終端子節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)中并給其分配一個短地址，協(xié)調(diào)器通過該短地址可以區(qū)分不同的了節(jié)點;樹形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中包括一個協(xié)調(diào)器、若干路由節(jié)點和一系列終端子節(jié)點，路由節(jié)點除了可直接和協(xié)調(diào)器傳遞數(shù)據(jù)，還可以實現(xiàn)與其他路由節(jié)點及終端子節(jié)點進線數(shù)據(jù)通信，該種方式擴大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與樹形結(jié)構(gòu)有共同點，網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點還可通過自組織實現(xiàn)多個通道的數(shù)據(jù)通信，在冗余的通信路徑下可大大提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。對于規(guī)模較小的廠房，若環(huán)境監(jiān)測主機至傳感器節(jié)點距離未超過100 m，則組建星型結(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)即可滿足；若要對規(guī)模達到幾萬m2的大型廠房實現(xiàn)溫濕度監(jiān)控，?則組建網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最為妥當(dāng)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)設(shè)計了基于CC2530的低功耗ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，無線模塊包含協(xié)調(diào)器模塊、路由節(jié)點模塊和終端子節(jié)點模塊三種。ZigBee主芯片選用TI公司集成Flash的CC2530芯片，基于CC2530同時結(jié)合TI業(yè)界領(lǐng)先的Z-Stack協(xié)議?？砷_發(fā)出一個低功耗的遠程無線解決方案，上述三種模塊各包含CC2530最小系統(tǒng)電路部分[4]。此外協(xié)調(diào)器模塊含有串口通信電路，可實現(xiàn)與上位機數(shù)據(jù)通信功能：對于路由節(jié)點模塊，因其僅實現(xiàn)ZigBee模塊間的無線通信，因而僅含有基本電路即可；終端子節(jié)點模塊負責(zé)數(shù)據(jù)的采集，因此模塊上需要設(shè)計傳感器及其附屬電路。為加強無線傳輸距離，可在模塊上加入CC2591射頻前端功率放大芯片。系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示。

2.2?ZigBee最小系統(tǒng)

CC2530芯片內(nèi)部集成度很高，只需在芯片外圍連接少量電容、電阻、電感及晶振等元件即可工作。芯片內(nèi)部已集成阻容振蕩器，但容易受環(huán)境溫度的影響從而造成時鐘不精確。因此在外圍電路設(shè)計振動頻率為32 MHz和32 kHz的晶振，并使用27pF的電容幫助起振，分別用于射頻(RF)和定時器的正常工作?？紤]到后期更換、維修等情況，設(shè)計電路時可將所有引腳引至排針，可通過可插拔形式將其固定在母板上同時最小系統(tǒng)供電取自母板。CC2530最小系統(tǒng)是協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點和子節(jié)點實現(xiàn)無線功能的最基本電路其原理如圖4所示。

2.3協(xié)調(diào)器模塊設(shè)計

協(xié)調(diào)器負責(zé)整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運營，該部分硬件設(shè)計直接關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。協(xié)調(diào)器模塊主要包括通信電路、按鍵及復(fù)位電路、LCD顯示電路、電源電路和射頻功率放大等電路。通信電路基于RS232串口通信協(xié)議設(shè)計，用于實現(xiàn)和上位機的數(shù)據(jù)交換；LCD顯示電路可以用來指示路由節(jié)點和終端子節(jié)點的工作狀態(tài)；為給協(xié)調(diào)器提供一個質(zhì)量好的3.3V工作電壓，可設(shè)計一個基于低壓差線性穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓電路；另外在協(xié)調(diào)器設(shè)計中，加入射頻前端功率放大器CC2591及外圍電路，從而可以擴大信號傳輸距離，保證與較遠無線模塊之間的有效通信。協(xié)調(diào)器模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.4子節(jié)點模塊設(shè)計

系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點用于獲取廠房溫濕度值，是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成單元。子節(jié)點模塊主要包含用于采集溫濕度的傳感器電路、LCD顯示電路、電源等電路。系統(tǒng)選用四引腳、內(nèi)部自帶14位A/D轉(zhuǎn)換器并以工業(yè)標(biāo)準I2C總線通信的SHT15溫濕度傳感器，I2C總線可由CC2530單片機的I/O接口模擬而成，傳感器精度也滿足工業(yè)級別監(jiān)控的要求；模塊設(shè)置LCD顯示單元，可用于現(xiàn)場監(jiān)測點的溫濕度值的顯示：子節(jié)點模塊可用體積小、容量大的鋰電池供電，免去了繁瑣的布線，使得子節(jié)點移動性、擴展性得到加強[5]。子節(jié)點模塊硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1系統(tǒng)軟件總體方案

系統(tǒng)軟件包括上位機監(jiān)控軟件和下位機無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)軟件兩大部分。上位機系統(tǒng)軟件基于Visual Studi0 2010平臺、采用C++語言開發(fā)，通過串口通信方式獲取傳感器節(jié)點采集到的溫濕度數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)解析后存儲到數(shù)據(jù)庫中，同時可對整個傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)信息進行監(jiān)控，此外上位機可根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)控制空調(diào)系統(tǒng)的運行。

下位機系統(tǒng)軟件基于Z-Stack進行開發(fā)，Z-Stack是德州儀器公司推出的一種分布式尋址，能夠為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)提供一個完整的解決方案，同時符合ZigBee規(guī)范的一種協(xié)議棧。Z-Stack協(xié)議棧里包含OSAL小型操作系統(tǒng)，官方已經(jīng)將底層驅(qū)動程序編寫并調(diào)試完畢，用戶只需熟悉Z-Stack的應(yīng)用層，在該層里根據(jù)C語言或者ASM語言的語法往里添加自定義功能函數(shù)，添加完畢后按照協(xié)議棧的任務(wù)調(diào)度模式，即協(xié)議棧的輪詢優(yōu)先控制方式進行自定義任務(wù)的管理。Z-Stack協(xié)議棧軟件結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器負責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，上電后首先進行系統(tǒng)初始化，接著創(chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)并將無線信號接收范圍內(nèi)具有目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符的路由節(jié)點和終端子節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)中，然后打開全局中斷并進入數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)；數(shù)據(jù)采集頻率可以自定義，通過協(xié)調(diào)器的定時器控制廣播參數(shù)采集指令，并等待接收來自各個子節(jié)點的數(shù)據(jù)，最后接收完畢后，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)打包并通過串口發(fā)送至上位機，采集過程將一直持續(xù)進行。協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計流程圖如圖8所示。

3.3子節(jié)點軟件設(shè)計

終端子節(jié)點模塊上設(shè)有傳感器，負責(zé)采集監(jiān)測區(qū)內(nèi)的溫濕度值，同時能夠通過無線形式與協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)交換。子節(jié)點上電后首先進行系統(tǒng)初始化，接著開始搜索無線信號范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)同時發(fā)送申請入網(wǎng)的信息，待協(xié)調(diào)器確認子節(jié)點的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符后便可組入網(wǎng)絡(luò)。出于功耗考慮，若子節(jié)點未收到協(xié)調(diào)器廣播的參數(shù)采集指令，則會一直處于低功耗休眠工作模式下。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸請求時，子節(jié)點可立即由休眠模式轉(zhuǎn)入正常工作模式，繼而可以進行環(huán)境溫濕度值的采集，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。子節(jié)點軟件設(shè)計流程圖如圖9所示。

4實驗結(jié)果

為驗證系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性，選取國內(nèi)某一潔凈廠房作為實驗對象。將三個無線溫濕度采集節(jié)點布置于潔凈室不同位置，同時協(xié)調(diào)器置于潔凈室中間位置，實驗時潔凈室內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)和生產(chǎn)線均正常運行系統(tǒng)上電后建立無線網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定采集頻率為每5 min采集一組溫濕度數(shù)據(jù)，完成一系列初始化后開始工作上位機通過串口通信方式獲取協(xié)調(diào)器發(fā)送的包含子節(jié)點短地址(Dev?ID)信息及子節(jié)點采集到的溫濕度數(shù)值的數(shù)據(jù)包，并加以解析后將溫濕度值、短地址存入SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫中，同時記錄下采集數(shù)據(jù)的時間，數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)果如圖10所示。由數(shù)據(jù)看出，潔凈室內(nèi)不同位置的溫度和相對濕度值稍有差異，但總體滿足潔凈室生產(chǎn)工藝的要求。

5結(jié)語

本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)結(jié)臺SHT15高精度數(shù)字式溫濕度傳感器創(chuàng)建了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線方式的監(jiān)控方案彌補了傳統(tǒng)有線溫濕度監(jiān)控的不足，具有結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)靈活、移動性強、超低功耗等特點，在工業(yè)廠房的環(huán)境監(jiān)控領(lǐng)域內(nèi)有著非常好的應(yīng)用前景。

參考文獻
[l]陳行忠.半導(dǎo)體潔凈室溫濕度控制[J]淮南師范學(xué)院學(xué)報，2009
[2]宋蓮花，郭光.基于ZigBee的溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計[J].中文信息.2014
[3]莊嚴ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及協(xié)議分析[J]電子技術(shù)與軟件工程.2014
[4]高翔，鄧永莉．呂愿愿，陸起涌.基于Z-Stack協(xié)議棧的zigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)能算法的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2014
[5]王冬霞，張玉輝．洪耀瓊.溫濕度傳感囂SHT15及其在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]電子設(shè)計工程，2011