摘  要： 準(zhǔn)確測量糧倉內(nèi)的溫度是保障糧食質(zhì)量的關(guān)鍵。介紹了一種基于ZigBee協(xié)議的智能糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)基于CC2530芯片完成了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，基于ZigBee2007協(xié)議棧與IAR開發(fā)平臺完成了軟件設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)了糧倉無線測溫功能。經(jīng)測試表明，本溫度監(jiān)測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測量溫度，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具備使用性。

　　關(guān)鍵詞： ZigBee；無線測溫；CC2530

0 引言

　　維持一定數(shù)量、品種和品質(zhì)的糧食儲備，是保障國家糧食安全的重要措施。危害我國儲糧的因素包括霉變、害蟲等多個(gè)方面。而上述危害都與糧倉的溫度有密切關(guān)系。因此，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的監(jiān)控糧倉內(nèi)不同地方的溫度，是儲糧系統(tǒng)必須解決的關(guān)鍵問題。由于糧倉內(nèi)的環(huán)境限制，使用有線方式建立網(wǎng)絡(luò)有諸多不便，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)則對環(huán)境具有極大適應(yīng)性，與有線方式相比，優(yōu)勢明顯。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee技術(shù)由于其低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的特點(diǎn)，在傳輸距離短、傳輸速率要求不高的情況下，具備獨(dú)特的優(yōu)勢。

　　基于上述優(yōu)點(diǎn)以及溫度監(jiān)控的重要性，本文開展了基于ZigBee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先基于CC2530芯片完成了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與傳感器終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，然后基于ZigBee2007協(xié)議棧完成了軟件設(shè)計(jì)，并通過實(shí)際溫度測試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

1 智能糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)

　　智能糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)是利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)及ZigBee技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對糧倉溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測。從技術(shù)架構(gòu)上來看，智能糧倉溫度監(jiān)測系統(tǒng)可以分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層。感知層承擔(dān)感知溫度信息的任務(wù)并執(zhí)行來自上層的命令，傳輸層負(fù)責(zé)傳遞感知層獲得的信息，應(yīng)用層則主要進(jìn)行信息的處理，并提供人機(jī)交互界面。此監(jiān)測系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成感知層，用以測量溫度，協(xié)調(diào)器作用在傳輸層，負(fù)責(zé)傳遞溫度信息，而上位機(jī)則位于應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)對溫度信息進(jìn)行處理，并通過界面進(jìn)行顯示。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文實(shí)驗(yàn)中，ZigBee芯片選用CC2530芯片。CC2530芯片上系統(tǒng)（SoC）是高度集成的解決方案，可支持快速、廉價(jià)的ZigBee節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建。此芯片整合了業(yè)界領(lǐng)先的2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee RF收發(fā)機(jī)，以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU的卓越性能，該系統(tǒng)還包括了8 KB的RAM，大容量閃存，并且集成了AES安全協(xié)處理器，以及許多其他強(qiáng)大特性[1]。硬件設(shè)計(jì)的工作主要分為兩部分：溫度控制中心（即協(xié)調(diào)器）硬件設(shè)計(jì)以及溫度監(jiān)測終端硬件設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后的運(yùn)行狀態(tài)如圖2所示，其中上方的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為傳感器終端節(jié)點(diǎn)，下方的一個(gè)節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

　　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主要是基于TI公司開發(fā)的ZigBee開發(fā)套件，利用RS232串口實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間的通信。如圖2中所示，協(xié)調(diào)器利用RS232串口線與電腦相連接，將接收到的信息傳遞給此上位機(jī)[2]。

　　溫度監(jiān)測終端硬件設(shè)計(jì)的主要工作是在原開發(fā)套件的基礎(chǔ)上增加了外接電路的設(shè)計(jì)，集成了溫度傳感器、信號LED燈等外置原件。

　　此硬件系統(tǒng)具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能，功能較為完善。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 ZigBee協(xié)議

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱（又稱紫蜂協(xié)議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)[3]。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種低成本、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)。

　　3.2 ZigBee協(xié)議棧

　　協(xié)議定義的是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，通信雙方需要共同按照這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)，而協(xié)議棧就是協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式，通俗的理解為用代碼實(shí)現(xiàn)的函數(shù)庫，以便于開發(fā)人員調(diào)用。ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)共有5部分組成：物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用技術(shù)層。而ZigBee協(xié)議將其分為了兩部分，其中IEEE 802.15.4定義了物理層和MAC層技術(shù)規(guī)范，ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用技術(shù)層規(guī)范。ZigBee協(xié)議棧就是將各個(gè)層定義的協(xié)議棧都集合在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，并給用戶提供一些應(yīng)用層API，供用戶使用。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]。

　　3.3 ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要分為ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)與溫度監(jiān)測中心上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

　　ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)基于IAR開發(fā)平臺以及ZigBee2007協(xié)議棧，并使用C語言進(jìn)行開發(fā)[5]。其中，終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了溫度信息的采集并遵從ZigBee協(xié)議發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對終端節(jié)點(diǎn)傳遞信息的接收，并定義了與上位機(jī)間的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)之間的通信[6]。

　　圖4展示了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行流程[7]。協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)都需要在運(yùn)行開始時(shí)進(jìn)行初始化操作，此后由協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，并等待終端節(jié)點(diǎn)的加入，終端節(jié)點(diǎn)則在檢測到網(wǎng)絡(luò)后加入網(wǎng)絡(luò)。入網(wǎng)成功后終端節(jié)點(diǎn)就可以通過基于ZigBee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳遞并由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收，再將收到的信息通過串口傳遞給上位機(jī)[8]。

　　3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)基于Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)平臺并使用C#進(jìn)行開發(fā)，本設(shè)計(jì)提供了人機(jī)交互界面[9]，使用RS232串口實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與上位機(jī)的通信，并遵循與協(xié)調(diào)器之間的通信協(xié)議，成功接收來自協(xié)調(diào)器的信息，實(shí)現(xiàn)對溫度的監(jiān)測。通信協(xié)議的協(xié)議幀格式如圖5所示[10]。

　　P1為幀開始，表征新的一幀的開始，P2為節(jié)點(diǎn)編號，用以區(qū)分不同的終端節(jié)點(diǎn)，P3為幀長度，P4為所測得的溫度數(shù)據(jù)，P5為命令字，用來區(qū)分幀的功能，P6為校驗(yàn)碼，用來保證數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性[11]。

　　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。界面效果如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　為了驗(yàn)證此溫度監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，利用模擬糧倉進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的測溫系統(tǒng)由15個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。實(shí)驗(yàn)中將終端節(jié)點(diǎn)分置于模擬糧倉內(nèi)預(yù)定位置，協(xié)調(diào)器置于模擬糧倉外，并同時(shí)用溫度計(jì)測量模擬糧倉內(nèi)的溫度。為了驗(yàn)證此溫度監(jiān)測系統(tǒng)測量溫度的準(zhǔn)確性，分別在7點(diǎn)30分、13點(diǎn)與18點(diǎn)進(jìn)行測試，測試所得結(jié)果如表1所示。

　　通過最終所獲得的溫度平均誤差可以看出，此無線測溫系統(tǒng)所測溫度精確度較高。由此可見，基于ZigBee協(xié)議所設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)是有效的，充分發(fā)揮了ZigBee的優(yōu)勢，具有一定的實(shí)用性，可以用于糧倉內(nèi)的溫度監(jiān)測[12]。

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