Zigbee是一種能滿足低功耗、低復雜度、低成本的新的無線通信技術，文中針對Zigbee的技術特點和SMT廠房的特殊的環(huán)境要求，提出了一種基于Zigbee無線傳感網絡的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)以射頻芯片CC2530為核心，搭建了系統(tǒng)網絡的硬件平臺，并在ZigBee2007協(xié)議棧基礎上進行了系統(tǒng)軟件流程設計。經過試驗，系統(tǒng)組網靈活，控制精度較高，對廠房的溫濕度智能化、統(tǒng)一化的管理有著重要的實際意義。
電子電路表面組裝技術(SMT)是一種將片式組裝元器件安裝在印制電路板的表面，通過回流焊等方法加以焊接組裝的電路裝連技術，是目前電子組裝行業(yè)里最流行的一種技術和工藝。隨著電子技術的進步，電子元器件逐漸向小型化、精密化、多功能方向發(fā)展，元器件的精密程度的提高對電子組裝的環(huán)境要求的越來越苛刻。生產環(huán)境不合適的溫度和濕度不但會對電子元器件的組裝造成危害，而且還會影響SMt機器設備的正常運行，所以，對SMT廠房溫度和濕度自動化的實時而準確的監(jiān)測和控制，使廠房實時處在一個良好的生產環(huán)境，對設備運行和SMT產品質量保障都有著重大的現(xiàn)實意義。
傳統(tǒng)的SMT廠房的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)常常采用有線方式，其優(yōu)點是可靠穩(wěn)定，明顯的缺點是布線困難，組網不靈活，增加節(jié)點硬軟件都要重新配置，而且可移動性差。針對上述傳統(tǒng)有線的溫濕度監(jiān)控的缺點和不足，本文設計了一種融合了ZigBee無線通信技術和傳感技術的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)則很好解決了這些問題，該系統(tǒng)安裝布置的靈活性高、安裝費用低廉、對廠房的監(jiān)控系統(tǒng)進行重新布置時可移動性強。系統(tǒng)網絡的自組織能力，大大增加了系統(tǒng)數據傳輸的可靠性，這些特點非常適合廠房多節(jié)點溫濕度環(huán)境監(jiān)測和控制的需求。
1系統(tǒng)的原理及構成
ZigBee作為一種基于IEEE 802.15.4標準的新型無線通信技術，其主要特點是近距離、低復雜度、低功耗、低成本、協(xié)議簡單，和傳感器網絡融合就組建了ZigBee無線傳感器網絡，該網絡具有以數據為中心、自組織、可快速部署等諸多優(yōu)點。
ZigBee協(xié)議層從底層到頂層分別為物理層(PHY)、媒體控制層(MLAC)、網絡層(NWK)、應用層(APL)。其中MAC和PHY兩層協(xié)議由IEEE802.15.4標準定義，NWK和APL兩層則由ZigBee聯(lián)盟定義。ZigBee網絡支持多種拓撲結構，比如星型、樹型和網狀型結構，ZigBee網絡節(jié)點通常按照功能分為三大類：協(xié)調器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點。其中協(xié)調器節(jié)點對于每個Zigbee網絡具有唯一性，是整個網絡的核心，其他的路由節(jié)點和終端節(jié)點作為子節(jié)點加入網絡。
針對SMT廠房特點，需要監(jiān)測的區(qū)域通常可以分為：生產區(qū)、器件區(qū)和低溫存儲區(qū)(冰箱)三部分。分別對應的不同的溫濕度要求。
由于該系統(tǒng)面向SMT小型廠房設計，所以系統(tǒng)組網相對簡單，數據的傳輸量也不大，因此采用只含有中心節(jié)點(協(xié)調器)和終端節(jié)點的星型網絡拓撲結構就能夠滿足本系統(tǒng)的設計，完成數據和信息的正常通信。分布于上述監(jiān)測區(qū)域的無線溫濕度傳感器節(jié)點，分為無線采集節(jié)點和無線控制節(jié)點兩類，采集節(jié)點首先進行溫度和濕度數據的采集、初步處理，然后通過ZigBee協(xié)議將從傳感器節(jié)點接收的數據發(fā)送到協(xié)調器節(jié)點;協(xié)調器根據采集結果和系統(tǒng)設定值進行比較決定是啟動無線控制節(jié)點來控制各種溫濕度調節(jié)設備的運行狀態(tài)，達到調節(jié)廠房中溫濕度的目的;協(xié)調器節(jié)點本身還負責建立ZigBee網絡，并發(fā)送和接收指令，通過RS232串口與監(jiān)測中心PC機進行數據通信;監(jiān)測中心PC機負責集中顯示廠房各個監(jiān)測區(qū)域的每個傳感器節(jié)點采集到的溫濕度信息。
2系統(tǒng)硬件設計
2.1網絡協(xié)調器設計
網絡協(xié)調器作為無線傳感網絡的核心，實現(xiàn)網絡無線采集節(jié)點的數據的收發(fā)和處理，并且能夠通過并通過無線控制節(jié)點控制溫濕度調節(jié)設備。協(xié)調器借助于RS232串口通信將數據發(fā)送到監(jiān)測中心的PC機，實現(xiàn)整個系統(tǒng)監(jiān)測信息的可視性。本系統(tǒng)的網絡協(xié)調器由下列部分組成：CC2530通信模塊、天線模塊、LCD液晶顯示模塊和電源模塊等構成。CC2530通信模塊作為協(xié)調器的核心部分，承擔著接收和存儲傳感器采集節(jié)點發(fā)來數據的任務，并且能夠對數據進行分析處理，發(fā)送網絡指令給無線控制節(jié)點，LCD顯示網絡節(jié)點工作狀態(tài);電源模塊提供工作電壓是3.3 V，為了確保協(xié)調器以及系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，采用3.3 V穩(wěn)壓電源對核心芯片供電。
2.2無線節(jié)點設計
系統(tǒng)的無線節(jié)點由無線采集節(jié)點和無線控制節(jié)點兩大類，是本系統(tǒng)網絡的基本結構單元，二者在系統(tǒng)中扮演的角色不同，結構也不相同。無線溫濕度采集節(jié)點由下列部分組成：數字式溫濕度傳感器SHT15和CC2530無線單片機，該單片機內部集成了2.4 GHz的射頻收發(fā)器，并且符合IEEE802.15.4標準。傳感器SHT15是通過I2C總線直接與CC2530單片機接口相連，其中I2C總線是由CC2530單片機I/O接口模擬而成，所以在設計上并沒有額外增加專門的I2C總線控制器，在一定程度上減少了硬件成本。當檢測到溫濕度信息時，CC2530對數據進行初步處理，為傳輸數據做好準備。然后通過LCD顯示出來并通過天線發(fā)送給中心節(jié)點。CC2530模塊存儲和處理傳來的數據，并與協(xié)調器進行無線通信，電源模塊采用體積小、容量大的鋰電池供電。
無線控制節(jié)點結構由以下幾個部分構成：CC2530無線通信模塊、D/A數模轉換器、功率放大器和電磁繼電器等構成。負責與協(xié)調器之間通信，且能夠執(zhí)行協(xié)調器的發(fā)送的命令，控制節(jié)點被啟動后，節(jié)點中的CC2530芯片接收相應的協(xié)調器命令進行PID運算和數字輸出，然后通過D/A數模轉換器，將數字信號轉化為模擬信號，再通過功率放放大器經過信號放大，來控制電磁繼電器工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)調節(jié)各種溫濕度調節(jié)設備，以便及時調整廠房中整體或者局部的溫濕度狀態(tài)。
本系統(tǒng)控制部分的繼電器驅動電路如圖5所示，單片機輸出的高低電平給驅動電路提供控制信號，通過驅動電路控制電磁繼電器中的電磁線圈的閉合和斷開。當單片機輸出高電平信號到三極管的基極，三極管處于飽和狀態(tài)導通狀態(tài)，此時繼電器中的線圈閉合，外電路被接通，與之接通的機器設備運行;當單片機信號輸出低電平，繼電器線圈斷開，機器設備停止運行。
2.2.1 CC2530芯片
TI公司推出的Zigbee芯片CC2530，工作在2.4 GHz頻段，符合IEEE 802.15.4規(guī)范，片內集成業(yè)界標準的增強型8051內核處理器和RF收發(fā)器，支持代碼預取功能;256 kFlash大容量的程序存儲器，支持Zigbee2007pro協(xié)議，擁有8k數據存儲器。片內還集成5通道DMA;MAC定時器;1個16位、2個8位普通定時器;電源管理與片內溫度傳感器;32 kHz休眠定時器;看門狗;2個強大的USART接口，支持多種串行協(xié)議12位A/D轉換器等智能外設。該芯片供電電壓區(qū)間2～3.6 V，具有3種電源管理模式：主動模式、休眠模式和中斷模式，3種模式對應的電流強度分別為0.2 mA、1μA和0.4μA，因此，該芯片具有超低功耗的突出特點，傳輸距離大于75 m，最高數據傳輸速度率達到250 kbps。另外，CC2530從休眠模式轉換到主動模式時間極短、響應速度極快，這些特性使得該芯片非常適合在無線傳感器網絡中的應用。
2.2.2溫濕度傳感器SHT15
SHT15是瑞士SENSIRION公司推出的一款高度集成的數字式的溫濕度傳感器，具有全量程標定的數字輸出，另外，采集數據信息經過內部校準之后輸出，大大減少了誤差，提高了信息采集的精確度，該傳感器含有一個14位的A/D轉換器，能實現(xiàn)溫度最高14bit和濕度12bit的測量;一個串行接口電路。SHT15的供電電壓為2.4～5.5 V，平均功耗溫度測量范圍：-40～+123.8℃，濕度測量范圍：0～100%RH，溫度測量精度：±0.3℃，濕度測量精度：±2.0%RH。
SHT15數字式傳感器直接與CC2530通過I2C串行總線相連，具有循環(huán)冗余碼校驗(CRC)數據傳輸校驗的功能，這些特點增加了對傳感器接口開發(fā)的方便性與可靠性。該傳感器具有響應時間快、精度高、抗干擾能力強、功耗低等特點，當SHT15測量和通信完成后，會自動使能進入睡眠模式。
3系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)的軟件設計目的是能夠很好的結合硬件設備實現(xiàn)本系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)利用的協(xié)議棧是TI公司推出的與CC2530芯片配套的Z—STACK 2007版本。本系統(tǒng)需要進行三部分的軟件流程設計，分別是傳感器采集節(jié)點、協(xié)調器和無線控制節(jié)點的軟件流程設計。
協(xié)調器主要負責網絡的管理、匯聚采集的數據等，傳感器測控數據通過網絡無線節(jié)點的控制節(jié)點來控制是否啟動變頻調速控制空調、加濕機、除濕機和風機等機器設備。本系統(tǒng)采用星形拓撲網絡實現(xiàn)通信，網絡配置一個網絡協(xié)調器和多個傳感器節(jié)點，在網絡中所有的傳感器節(jié)點只與協(xié)調器通信。ZigBee網絡由協(xié)調器發(fā)起并且建立。協(xié)調器首先進行信道掃描，采用一個其空閑的信道，規(guī)定一些相應的網絡參數，協(xié)調器啟動后，時刻監(jiān)聽空中無線信號，如果終端節(jié)點申請加入網絡時，發(fā)出申請加入信號，并提供正確的認證信息，即可加入網絡;如果監(jiān)聽到系統(tǒng)傳感器采集節(jié)點發(fā)送的溫濕度數據信息，協(xié)調器接收信息，并與系統(tǒng)設定值進行比較，如果溫度和濕度超出了規(guī)定的上下限，協(xié)調器及時發(fā)出相應的命令給無線控制節(jié)點。
傳感器采集節(jié)點負責采集監(jiān)測區(qū)域的溫度和濕度數據，并發(fā)送給協(xié)調器，而且還能夠接收來自協(xié)調器的相關命令。節(jié)點上電后首先進行硬件和協(xié)議棧的初始化，搜索鄰近的網絡，并且發(fā)送申請加入信息，等待網絡協(xié)調器確認，信息確認通過后，節(jié)點即可成功加入網絡，然后進入休眠的節(jié)電模式。當有數據傳輸請求時，節(jié)點立即由休眠模式進入工作模式，進行溫濕度信息采集、預處理并發(fā)送。
控制節(jié)點在整個系統(tǒng)中的角色是與網絡協(xié)調器進行通信，接收并執(zhí)行相應協(xié)調器命令，控制節(jié)點啟動后，節(jié)點核心芯片進行PID運算和數字信號輸出，然后通過一系列的信號轉化，然后控制電磁繼電器工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)調節(jié)如變頻調速器、風機、加濕器和除濕器等設備。
系統(tǒng)上位機的系統(tǒng)監(jiān)控軟件采用Visual Studio 2010平臺、C++語言開發(fā)，該軟件連接Access數據庫來實現(xiàn)存儲傳感器節(jié)點采集到的溫濕度數據，另外，該軟件還對系統(tǒng)的整個ZigBee網絡組網信息進行監(jiān)控等等。軟件可以對采集的時間間隔、采集的監(jiān)測區(qū)域進行設置。串口信息配置如下：波特率為19 200，數據比特8bit，無奇偶校檢位。
4實驗結果和分析
為了驗證系統(tǒng)的實際應用性能，選取一塊監(jiān)控區(qū)域作為實驗對象。首先，將該系統(tǒng)安置于SMT廠房的一個無塵密閉生產車間中進行試驗。在試驗過程中，開啟車間的空氣循環(huán)機，促進空氣的流通和循環(huán)，盡量使得車間內空氣的溫度和濕度均勻分布。無線溫濕度采集節(jié)點均勻的分布于車間的不同位置，避免采集節(jié)點集中放置帶來的局部誤差，以便能夠準確的監(jiān)測溫濕度分布的信息。系統(tǒng)的控制節(jié)點連接的有變頻調速器的空調可以調節(jié)溫度，有增濕機和除濕機，可以進行濕度調節(jié)。系統(tǒng)全部安裝完畢，開始試驗。系統(tǒng)上電初始化，網絡建立，系統(tǒng)開始工作，我們通過設定一系列不同的的溫度標準和濕度標準，等待系統(tǒng)的調控工作完成后，將此時車間實際的溫濕度信息記錄下來，并且和設定的標準值進行比較。
從上表結果我們可以看出，在經過7組試驗和測試，該系統(tǒng)實驗的穩(wěn)態(tài)時的溫度與設定溫度值的誤差控制在±2.0℃以內;濕度的控制誤差在±3.5%RH以內。這樣的控制精度達到了SMT生產車間的對溫濕度的要求。精度誤差造的原因主要是在車間空氣中的溫度和濕度分布不均勻，造成不同位置的采集節(jié)點收集的數據有差異，從而造成中心節(jié)點分析數據時存在誤差，另外，車間不可能完全密閉，與外界的絕熱能力有限，無法杜絕空氣和熱量與外界進行交換，從而在一定程度上也影響了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。
5結論
本系統(tǒng)利用較高精度的數字式溫濕度傳感器SHT15對監(jiān)控對象進行溫濕度采集，確保了信息來源的準確性;星形傳感器網絡建立，大大增加了監(jiān)測區(qū)域的有效面積，在一定程度上減少了因為區(qū)域限制和采集節(jié)點數量限制而帶來了的誤差;采用Zigbee無線技術也確保了傳感器終端節(jié)點、控制節(jié)點與協(xié)調器節(jié)點通信的可靠性和經濟性。該系統(tǒng)利用采集的信息通過控制節(jié)點對溫度和濕度進行快速而有效的控制，大大減少傳統(tǒng)了手動調節(jié)的滯后性。經多組試驗，控制精度達到了SMT廠房的測控要求。本系統(tǒng)具有結構簡單、功耗低、組網靈活，移動性強等特點，對中小型工業(yè)廠房的監(jiān)測和控制領域有著很好的應用前景。
