浅谈基于ZigBee的精铸车间温湿度检测系统

潘继民 赵金湘 张阳

【摘要】环境温湿度对精密铸造的铸件质量有较大的影响。本文以AM2301作温湿度传感器，采用ZigBee无线网络技术和LED显示屏控制技术，设计了一套精密铸造车间多区域温湿度监控系统，介绍了系统的软硬件设计实施方案。

【关键词】精密铸造；ZigBee；温湿度；LED屏

一、引言

精密铸造是一种特种铸造方法，它能获得较准确的形状和较高的铸造精度，常用于铸造形状复杂而又精密的零件。精密铸造工艺流程主要包括压蜡、制壳、浇注、后处理、检验等工序，其中多数工序尤其是制壳工序对车间温湿度环境有着极为严格的要求。一般要求环境控制在温度20℃～27℃，湿度40%RH～65%RH，并且最好是相对恒温恒湿。温湿度过高或过低都会对铸件质量产生不利的影响。因此做好铸造车间的温湿度监控及记录，对于提高铸件质量，完善质量管理体系显得尤为重要。本文设计了一套基于ZigBee无线通信的铸造车间温湿度检测系统，使用多组温湿度传感器采集车间各区域的温湿度参数，以LED显示屏实时显示，为生产管理人员做好质量管控提供有效手段。

二、系统总体设计

（一）ZigBee技术简介

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的局域网协议，是一种距离短、功耗低的无线通信技术。其特点是成本低、功耗低、低数据速率、高容量、可自动组网。由于ZigBee无线网络的这些优点，可实现铸造车间有多个温湿度采集节点的灵活布置，各个节点会搜索不同路径进行数据传输，并能很好地适应车间的复杂环境，保证数据的可靠传输。此外，采用无线通信方式也易于后期的二次改造。

（二）系统构成

系統由传感器终端节点、ZigBee路由器节点、ZigBee协调器、ARM微处理器、LED显示屏等几部分组成，其构成如图1所示。传感器终端节点是整个ZigBee无线网络的基本单元，其作用是采集所在区域的温湿度参数并进行预处理，然后将处理后的数据通过ZigBee网络传输给路由器节点；路由器节点既有无线线路连接功能，又起中继器功能，通过它将各传感器节点采集的温湿度数据上传于协调器；协调器最终将以它为中心的网状数据汇总并通过串口传输给中心ARM微处理器；ARM微处理器负责各传感器数据的处理及存储，并实现LED屏的显示控制。

三、系统硬件设计

（一）终端节点设计

终端节点由温湿度传感器、ZigBee无线通信模块和电源模块组成。温湿度传感器选用AM2301湿敏电容数字温湿度模块，它包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，同时内置一个高性能8位单片机，是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合型传感器。该传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点。传感器为3引脚单总线接口，可以很方便地与其他微处理器的I/O端口相连。

ZigBee无线通信模块选用CC2530芯片。CC2530是专门针对IEEE802.15.4和ZigBee应用的单芯片解决方案。它整合了RF收发器、增强型8051CPU、系统内可编程闪存、8KBRAM和许多其他强大的功能，只需一个晶振和极少的外接元件即可满足网状网络系统需要。其RF收发器适应2.4-GHzIEEE802.15.4的无线通信，且具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，RF内核控制模拟无线模块，它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。

（二）LED显示屏模组选型

LED显示屏选用室内双基色模组，模组由红绿双色LED管组成64列×16行的发光点阵，扫描方式为1/16扫。行驱动电路由译码器74HC138和功率驱动芯片4953组成，来自ARM的4位行编码信号经两片74HC138组合译码后输出16路行选通信号，经功率管4953芯片驱动后，分时点亮16个扫描行的LED灯；列驱动电路由2组8位串行移位寄存器74HC595组成，每组用8片74HC595级联，形成8×8共64路列驱动信号，分别驱动红、绿各64列LED发光管。来自ARM处理器的红绿数据信号Dr和Dg，经64个CLK移位脉冲移位后，锁存与每组的8个串行移位寄存器74HC595中，在行扫描信号的配合下，点亮对应的LED发光管，从而在LED屏上显示出要显示的信息。

（三）汇总模块设计

汇总模块以AMR处理器为中心，通过协调器节点汇聚各终端传感器的数据，以LED屏为监视器显示车间各区域的温湿度信息。ARM处理器选用意法半导体公司的STM32F107RBT6芯片，它采用一个标准的Cortex-M3微控制器结构，是意法半导体推出的STM32互连型系列微控制器中的一款性能较强的产品。其PA0～PA7作为发送LED屏显示数据的端口，PB3～PB9作为LED屏的扫描控制端口，用以控制屏幕行选和亮灭。串口UART4用来与协调器的CC2530进行通信，其中PC11（UART4_R）和PC10（UART4_T）分别与CC2530的P0_3（USART_TX）和P0_2（USART_RX）相连。

四、系统软件设计

系统软件采用模块化设计，主要包括传感器终端节点模块、协调器节点模块和显示监控模块三部分。

终端节点模块的程序包括：初始化终端设备；查找并申请加入ZigBee网络；读取AM2301的温湿度数据；将数据上报给协调器。系统设定的采样周期为一秒，每秒将数据上报一次。

协调器节点模块的程序包括：CC2530以协调器方式启动并建立ZigBee无线网络；等待终端节点的加入；接收终端节点的数据并上传与显示监控中心。

显示监控模块的程序包括：上电后完成STM32F107的系统时钟、串口、显示控制IO端口等设备的初始化；取得和协调器CC2530的通信；读取由协调器汇总的各传感器节点温湿度数据；完成数据的处理及存储；更新显示缓存数据并通过动态扫描完成LED屏的显示刷新。

五、结语

系统采用ZigBee无线传输技术、传感器技术和LED显示屏技术，实现了对精密铸造车间的多区域温湿度采集和大屏幕监控显示，对提高铸件的质量、加强铸造车间数字化管理有实际意义。系统结构简单、节点扩充方便、布局灵活、显示直观醒目，所采用的方案对其他生产车间的环境检测和数字化改造均有实用价值。系统制作调试完成后，进行了试运行，温湿度参数采集准确，数据传输可靠，LED屏监控显示效果良好。

参考文献

[1]吴志枫.精密铸造车间温湿度影响因素研究[D].武汉：华中科技大学，2016.

[2]蔡利婷，陈平华，罗彬.基于CC2530的ZigBee数据采集系统设计[J].计算机技术与发展，2012，22（11）：197～200.

[3]王永虹，徐炜，郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.