基于Zigbee的无线粮情检测仪的设计

宋国清,李艳武

(1.齐齐哈尔高等师范专科学校,齐齐哈尔 161005;2.黑龙江交通职业技术学院,齐齐哈尔 161000)

基于Zigbee的无线粮情检测仪的设计

宋国清1,李艳武2

(1.齐齐哈尔高等师范专科学校,齐齐哈尔 161005;2.黑龙江交通职业技术学院,齐齐哈尔 161000)

设计了一种基于RF芯片CC2530F256的无线粮情检测系统,实现了数据采集、信息处理与控制、无线传输的功能,可以对粮情数据进行实时检测,以保证储粮质量与安全.同时兼容标准的Modbus,可以与PLC以及上位机通讯.

粮情检测;数据采集;无线组网;CC2530F256

目前大量粮情检测系统设计成主从工作方式,采用RS485接口通讯方式或采用现场Can总线方式进行通讯.在仓内将多条嵌入有DS18B20数字式温度传感器的测温电缆,分别连接到集线器上,测温分机通过集线器采集现场粮食温度,然后经由RS485接口或Can总线连接到测温主机,测温主机传输数据给监控室中的上位机.这时通过粮情检测软件在上位机进行图形显示,工作人员在监控室就可以实时的掌握各个粮仓中的数据.

1 系统组成

本设计融入了当前快速兴起的Zigbee无线射频技术.在粮仓内部可以采用电池供电的Zigbee测温分机通过航空插头连接单条测温电缆的纯粹无线的方式,缺点是需要的测温分机多,成本大.或者采用Zigbee测温分机连接集线器的方法,优点是成本低,不需要更换电池,缺点是需要增加一条供电电源,设计中综合考虑采用后一种方案,Zigbee测温分机采集的数据,通过室外的Zigbee路由器和协调器自组织形成的无线网状网,进行数据传输,该无线网具有自动路由重建功能.大量采集数据通过Zigbee协调器汇集,按照自定义的传输协议经由RS232串口,传输到上位机.

总控室内配备一台独立的计算机进行粮情检测,或在粮库办公楼内某个计算机局域网的某一台计算机进行粮情检测.按照设置的报警参数或者历史数据曲线,高温天气自动通风排积热和低温天气的自动通风降温.

2 Zigbee无线粮情检测仪的硬件设计

无线粮情检测仪是采集,控制、无线传输与一体的无线模块,取代传统的布线方式.能够根据需要提供4路标准的12位4-20 ma采集,4路带光电隔离的开关量输入,4路继电器输出,1路RS232,1路RS485,模块使用开关电源供电或电池供电以适用于户外工作环境.无线射频芯片由CC2530F256+CC2591构成.

图1 Zigbee协调器硬件组成框图

2.1 Zigbee协调器4-20 ma I/V转换电路图

在工业现场,信号进行长线传输.早期采用电压信号,在使用过程中发现电压易受噪声干扰,传输线的电阻存在压降,同时如何对现场仪表进行供电的也存在问题.在这种情况下,逐步采用电流进行信号传输,电流不宜受噪声干扰,可以实现较长距离传输.4～20 ma电流环有两线制,三线制和四线制等多种.采用4 ma表示零信号,20 ma表示最大信号.在这里采用4～20 ma两线制的方式设计了Zigbee协调器的信号接收器电路.该电路完成I/V变换,将4～20 ma的电流信号转换成CC2530F256可以接收的电压信号(I/V转换电路如图2所示).相比在4～20 ma电路中串联取样电阻,采用U=I*R获取电压的方法,电路转化结果的稳定性和精确度都要高.相比采用RCV420芯片的精密的I/V转换电路,供电电源电压要低,而且采用单电源供电.另外,线路输入采用了高精度的模拟光耦HCNR200、LM158运算放大器与主电路的隔离,尤其是主电路采用了CC2530F256的单片机系统,这个隔离级可以起到保护单片机系统的作用.集成芯片HCNR200高线性度模拟光藕具有两个紧密匹配的AlGaAs输出光电二极管和一个输入发光二极管.该输入发光二极管可以被用来检测、稳定自身发光的强度,进而减小发光二极管的非线性度和漂移.输出光电二极管可以产生与发光二极管线性对应的电流.通过发光二极管和光电二极管实现隔离.LM158是低功耗具有内部频率补偿的双路、高增益运算放大器.整个4～20 ma接收器电路,线性度达0.01%.输入的4～20 mA直流电流信号通过5.1 V稳压管Z1给单电源运放LM158供电,运放的输入输出两端分别接有PD1、R1和LED,运放输出端调节LED的发光量,并构成负反馈回路.电路中,R1、R3和R5采用高精度低温漂电阻,降低因电阻精度或温度漂移引起的转换误差.

图2 I/V转换电路

输出电压和输入电流环电流的整体表达式为:

式中:R3为HCNR200的传输增益,典型值为1

VOUT输出连接到CC2530F256的引脚,其内置12位A/D转换器采集接收器电路输出的模拟电压为数字量,暂存在内部数据存储器当中,准备上传或作为粮情参数警报的参考.

2.2 Zigbee协调器开关量输入电路

开关量的输入信号,在控制现场中大量存在.Zigbee协调器针对此情况,设计了开关量输入电路,CC2530F256读取开关量电路输入到端口的高低电平并进行分析,判断出其采样是“0”还是“1”,确定开关量输入相应的开关是“闭合”的还是“断开”.但是由于工业现场存在着电、磁、温度等各种干扰,再加上各类执行器所要求的开关电压量级及功率不同,所以在接口电路中除根据需要选用不同的元器件来设计电路外,还需要考虑各种缓冲、隔离和驱动电路的设计.在单片机应用系统中,一般采用通道隔离技术,开关量输入通道的隔离最常采用的光耦合器.单片机用的是一组电源,外围器件用的是另一组电源,两者之间经过光耦完全隔离了电气联系,只通过光的联系来传输信息在开关量输入通道中,信号频率一般较低,光耦合器频率特性不会影响信号传输,可以采用低频率光耦,光耦输出到CC2530F256所以光耦的输出端电流不要求很大,综合考虑后,输入电路采用TPL541进行隔离,同时采用了稳压管DW5.1.对输入电压在5 V以上进行响应.

3 Zigbee无线粮情检测仪的软件设计

开发软件采用IAR公司的集成开发环境Embedded Workbench for 8051 V7.6该开发环境支持TI公司的Zstack协议栈,协议栈可以实现zigbee设备间的无线链接,在协调器节点和路由器节点中使用flash存储协调器组网数据,实现对路由表和绑定表的非易失性存储,因此网络具有一定的记忆功能.

TI开发的操作系统管理Z-Stack协议栈和应用程序,采用确定时间节拍的事件轮循机制,当各层初始化之后,系统进入低功耗模式,当事件发生时,唤醒系统,开始进入中断处理事件,结束后继续进入低功耗模式.如果有几个事件同时发生,判断优先级,逐次处理事件.这种软件构架可以极大地降级系统的功耗.

整个Z-stack的主要工作流程,大致分为:

(1)系统启动和驱动初始化

Osal-int-disable()关总中断

Hal-board-int()初始化板上硬件设置

InitBoard()初始化I/O口

HalDriverInit()初始化HAL层驱动

sal-nv-init()初始化非易失性存储器

等函数实现系统启动和驱动初始化

(2)OSAL初始化和启动

osal-init-system初始化操作系统

osal-mem-alloc()函数给各个任务分配内存空间

等函数实现OSAL初始化和启动

(3)任务轮循几个阶段

4 总 结

本文将粮情系统仓内信息采集和仓外传输部分采用ZigBee无线互联技术,设计成网状网络拓扑结构,采用TI公司的Zstack2.3.1最新协议栈实现路由自动重构.ZigBee无线粮情检测仪接口丰富,电路设计可以有效去除现场噪声,避免对传输信号造成影响.功能多样,兼容传统系统数据采集方式,可以较好实现粮情温湿度数据的采集,架构简单,检测现场不需要进行复杂的线路铺设和连接,250k/s的传输速度,针对检测与控制的应用,ZigBee粮情检测仪是可以满足要求,随着ZigBee路由算法的提高,在工业自动化监控领域会获得越来越广阔的发展前景.

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Design of Wireless Grain Inspection Instrument Based on Zigbee

SONG Guo-qing1,LI Yan-wu2

(1.Qiqihar Teachers College,Qiqihar 161005,China;2.Heilongjiang Communications Holytechnic,Qiqihar 161000,China)

T his paper designs a wireless grain inspection system based on chip CC2530F256.T his system can collect data,process and control information,transmit over wireless,and be able to inspect grain in real time to ensure the safety and quality of storing grain.At the same time,it is also compatible with standard Modbus and able to communicate with PLC and upper computer.

grain inspection;collecting data;wireless networks;CC2530F256

TN923

A

1671-119X(2011)02-0053-03

2011-01-16

宋国清(1979-),男,硕士研究生,助教,研究方向:智能控制与嵌入式系统.