基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的SMT廠房溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘要：ZigBee是一種能滿足低功耗、低復(fù)雜度、低成本的新的無線通信技術(shù)，文中針對ZigBee的技術(shù)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的硬件平臺，并在ZigBee2007協(xié)議?；A(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)軟件流程設(shè)計。經(jīng)過試驗，系統(tǒng)組網(wǎng)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。
關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2530；SMT；無線傳感網(wǎng)；監(jiān)控

電子電路表面組裝技術(shù)(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(shù)，是目前電子組裝行業(yè)里最流行的一種技術(shù)和工藝。隨著電子技術(shù)的進(jìn)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(chǎn)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(shè)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(zhǔn)確的監(jiān)測和控制，使廠房實時處在一個良好的生產(chǎn)環(huán)境，對設(shè)備運行和SMT產(chǎn)品質(zhì)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(wǎng)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(shè)計了一種融合了ZigBee無線通信技術(shù)和傳感技術(shù)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(jìn)行重新布置時可移動性強。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的自組織能力，大大增加了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，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(gòu)成
ZigBee作為一種基于IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的新型無線通信技術(shù)，其主要特點是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本、協(xié)議簡單，和傳感器網(wǎng)絡(luò)融合就組建了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有以數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)。其中MAC和PHY兩層協(xié)議由IEEE802． 15．4標(biāo)準(zhǔn)定義，NWK和APL兩層則由ZigBee聯(lián)盟定義。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比如星型、樹型和網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常按照功能分為三大類：協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點。其中協(xié)調(diào)器節(jié)點對于每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有唯一性，是整個網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)。
針對SMT廠房特點，需要監(jiān)測的區(qū)域通?？梢苑譃椋荷a(chǎn)區(qū)、器件區(qū)和低溫存儲區(qū)(冰箱)三部分。分別對應(yīng)的不同的溫濕度要求，詳細(xì)信息如表1所示。

由于該系統(tǒng)面向SMT小型廠房設(shè)計，所以系統(tǒng)組網(wǎng)相對簡單，數(shù)據(jù)的傳輸量也不大，因此采用只含有中心節(jié)點(協(xié)調(diào)器)和終端節(jié)點的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計，完成數(shù)據(jù)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(jìn)行溫度和濕度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點；協(xié)調(diào)器根據(jù)采集結(jié)果和系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較決定是啟動無線控制節(jié)點來控制各種溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備的運行狀態(tài)，達(dá)到調(diào)節(jié)廠房中溫濕度的目的；協(xié)調(diào)器節(jié)點本身還負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送和接收指令，通過RS232串口與監(jiān)測中心PC機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；監(jiān)測中心PC機負(fù)責(zé)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，整個SMT廠房的無線監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)計
網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無線采集節(jié)點的數(shù)據(jù)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(diào)節(jié)設(shè)備。協(xié)調(diào)器借助于RS232串口通信將數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(gòu)成。CC2530通信模塊作為協(xié)調(diào)器的核心部分，承擔(dān)著接收和存儲傳感器采集節(jié)點發(fā)來數(shù)據(jù)的任務(wù)，并且能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)指令給無線控制節(jié)點，LCD顯示網(wǎng)絡(luò)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(diào)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。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2．2 無線節(jié)點設(shè)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(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)單元，二者在系統(tǒng)中扮演的角色不同，結(jié)構(gòu)也不相同。無線溫濕度采集節(jié)點由下列部分組成：數(shù)字式溫濕度傳感器SHT15和CC2530無線單片機，該單片機內(nèi)部集成了2．4 GHz的射頻收發(fā)器，并且符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)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(dāng)檢測到溫濕度信息時，CC2530對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，為傳輸數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)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(shù)據(jù)，并與協(xié)調(diào)器進(jìn)行無線通信，電源模塊采用體積小、容量大的鋰電池供電。傳感器采集節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖3所示。

無線控制節(jié)點結(jié)構(gòu)由以下幾個部分構(gòu)成：CC2530無線通信模塊、D／A數(shù)模轉(zhuǎn)換器、功率放大器和電磁繼電器等構(gòu)成。負(fù)責(zé)與協(xié)調(diào)器之間通信，且能夠執(zhí)行協(xié)調(diào)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(yīng)的協(xié)調(diào)器命令進(jìn)行PID運算和數(shù)字輸出，然后通過D／A數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，再通過功率放放大器經(jīng)過信號放大，來控制電磁繼電器工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)各種溫濕度調(diào)節(jié)設(shè)備，以便及時調(diào)整廠房中整體或者局部的溫濕度狀態(tài)。無線控制節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖4所示。

本系統(tǒng)控制部分的繼電器驅(qū)動電路如圖5所示，單片機輸出的高低電平給驅(qū)動電路提供控制信號，通過驅(qū)動電路控制電磁繼電器中的電磁線圈的閉合和斷開。當(dāng)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(dǎo)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(shè)備運行；當(dāng)單片機信號輸出低電平，繼電器線圈斷開，機器設(shè)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(nèi)集成業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051內(nèi)核處理器和RF收發(fā)器，支持代碼預(yù)取功能；256 kFlash大容量的程序存儲器，支持Zigbee2007pro協(xié)議，擁有8k數(shù)據(jù)存儲器。片內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)換器等智能外設(shè)。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(yīng)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(shù)據(jù)傳輸速度率達(dá)到250 kbps。另外，CC2530從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動模式時間極短、響應(yīng)速度極快，這些特性使得該芯片非常適合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)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(shù)字式的溫濕度傳感器，具有全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出，另外，采集數(shù)據(jù)信息經(jīng)過內(nèi)部校準(zhǔn)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(zhuǎn)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(shù)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(shù)據(jù)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(yīng)時間快、精度高、抗干擾能力強、功耗低等特點，當(dāng)SHT15測量和通信完成后，會自動使能進(jìn)入睡眠模式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)的軟件設(shè)計目的是能夠很好的結(jié)合硬件設(shè)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(jìn)行三部分的軟件流程設(shè)計，分別是傳感器采集節(jié)點、協(xié)調(diào)器和無線控制節(jié)點的軟件流程設(shè)計。
協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理、匯聚采集的數(shù)據(jù)等，傳感器測控數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)無線節(jié)點的控制節(jié)點來控制是否啟動變頻調(diào)速控制空調(diào)、加濕機、除濕機和風(fēng)機等機器設(shè)備。本系統(tǒng)采用星形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信，網(wǎng)絡(luò)配置一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和多個傳感器節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器節(jié)點只與協(xié)調(diào)器通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器發(fā)起并且建立。協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行信道掃描，采用一個其空閑的信道，規(guī)定一些相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，協(xié)調(diào)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(wǎng)絡(luò)時，發(fā)出申請加入信號，并提供正確的認(rèn)證信息，即可加入網(wǎng)絡(luò)；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(shù)據(jù)信息，協(xié)調(diào)器接收信息，并與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較，如果溫度和濕度超出了規(guī)定的上下限，協(xié)調(diào)器及時發(fā)出相應(yīng)的命令給無線控制節(jié)點。協(xié)調(diào)器的軟件流程如圖6所示。

傳感器采集節(jié)點負(fù)責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并發(fā)送給協(xié)調(diào)器，而且還能夠接收來自協(xié)調(diào)器的相關(guān)命令。節(jié)點上電后首先進(jìn)行硬件和協(xié)議棧的初始化，搜索鄰近的網(wǎng)絡(luò)，并且發(fā)送申請加入信息，等待網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器確認(rèn)，信息確認(rèn)通過后，節(jié)點即可成功加入網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入休眠的節(jié)電模式。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸請求時，節(jié)點立即由休眠模式進(jìn)入工作模式，進(jìn)行溫濕度信息采集、預(yù)處理并發(fā)送。傳感器采集節(jié)點軟件流程圖如圖7所示。

控制節(jié)點在整個系統(tǒng)中的角色是與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，接收并執(zhí)行相應(yīng)協(xié)調(diào)器命令，控制節(jié)點啟動后，節(jié)點核心芯片進(jìn)行PID運算和數(shù)字信號輸出，然后通過一系列的信號轉(zhuǎn)化，然后控制電磁繼電器工作狀態(tài)，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)如變頻調(diào)速器、風(fēng)機、加濕器和除濕器等設(shè)備。軟件流程圖如圖8所示。
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(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)存儲傳感器節(jié)點采集到的溫濕度數(shù)據(jù)，另外，該軟件還對系統(tǒng)的整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)信息進(jìn)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(jìn)行設(shè)置。串口信息配置如下：波特率為19 200，數(shù)據(jù)比特8bit，無奇偶校檢位。

4 實驗結(jié)果和分析
為了驗證系統(tǒng)的實際應(yīng)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(chǎn)車間中進(jìn)行試驗。在試驗過程中，開啟車間的空氣循環(huán)機，促進(jìn)空氣的流通和循環(huán)，盡量使得車間內(nèi)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(zhǔn)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(diào)速器的空調(diào)可以調(diào)節(jié)溫度，有增濕機和除濕機，可以進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)全部安裝完畢，開始試驗。系統(tǒng)上電初始化，網(wǎng)絡(luò)建立，系統(tǒng)開始工作，我們通過設(shè)定一系列不同的的溫度標(biāo)準(zhǔn)和濕度標(biāo)準(zhǔn)，等待系統(tǒng)的調(diào)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(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

從上表結(jié)果我們可以看出，在經(jīng)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(shè)定溫度值的誤差控制在±2．0℃以內(nèi)；濕度的控制誤差在±3．5％RH以內(nèi)。這樣的控制精度達(dá)到了SMT生產(chǎn)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(shù)據(jù)有差異，從而造成中心節(jié)點分析數(shù)據(jù)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(jìn)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(jié)論
本系統(tǒng)利用較高精度的數(shù)字式溫濕度傳感器SHT15對監(jiān)控對象進(jìn)行溫濕度采集，確保了信息來源的準(zhǔn)確性；星形傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)量限制而帶來了的誤差；采用Zigbee無線技術(shù)也確保了傳感器終端節(jié)點、控制節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點通信的可靠性和經(jīng)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(jìn)行快速而有效的控制，大大減少傳統(tǒng)了手動調(diào)節(jié)的滯后性。經(jīng)多組試驗，控制精度達(dá)到了SMT廠房的測控要求。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、組網(wǎng)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(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。