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    基于CC2530的仓库环境无线监控系统设计

      信息来源:   发布时间:2021-07-24  点击数:

    仓库储存是从生产到市场直至最终用户的供应链中一个重要环节,对于多数物资而言,其在仓库储存环节的时间一般要大于在生产线上或者运输线上的时间。显然,仓库环境参数对于库存物资的安全、保质,减少不必要的损耗至关重要,特别是对于某些对环境参数要求严格的物资(例如药品、生鲜、生物制品),尤其重要。对仓库环境参数进行监控的主要任务,是提供适宜的温度、适宜的湿度。目前很多仓库环境参数的监控,人工操作比例大,不仅工人劳动强度大,监控效果也不理想。文献[1]提出关于仓库环境参数的多点自动监控方案,对于提高仓库环境监控的自动化水平起到了促进作用。但是其关于仓库环境参数的自动监控方案,监控系统是多点传感器采集有线系统,布线需要大量电缆,系统维护或者升级工作量大。本文设计了一种基于的仓库环境无线监控系统,无线系统可以使系统的采样布置灵活,有利于采样布置迅速优化;安装简单快速,检查维护方便;系统扩充、改进方式灵活易行,有利于系统的迅速可持续优化;有利于提高仓库环境监控效果,实现更有效的仓库环境监控。

    1 系统硬件设计

    1.1 系统硬件整体设计方案

    仓库无线环境监控系统包括:环境数据采集节点(多点)、网络协调器、主控机、环境调节控制节点。无线环境监控系统的各组成部分,通过无线网络连接为一个整体。主控机接收数据,对数据进行保存,按照预定的程序处理数据,发现数据异常及时通过网络协调器向控制节点发送指令,控制相应调控设备进行调控。网络协调器负责组建无线网络(以下简称网络),对网络进行管理和维护,接收采集节点数据整理后传送给主控机,接收主控机指令整理后传送给控制节点。采集节点首先要加入网络,然后定时采集环境温湿度数据,实时发送给网络协调器,然后又进入休眠状态,等待下一个定时周期唤醒。调控节点首先要加入网络,然后进入休眠状态,等待网络协调器的唤醒信号,然后接收网络协调器发送的控制指令,控制调控设备工作。无线网络选择CC2530(TI)作为处理器,通过Zig Bee系统实现,相比于其它物联网方案,例如蓝牙、Wi-Fi而言,不仅可以具有多节点拓扑模型,而且可以以极低的功耗工作和传输信息,这一点对于采用电池供电的无线采集终端节点而言是很重要的。仓库环境安全无线监控系统的整体结构如图1所示。

    图1 系统的整体结构

    图1 系统的整体结构   


    1.2 无线网络节点设计

    本文无线网络选择Zig Bee系统实现,无线网络包括采集终端节点和控制终端节点、网络协调器节点。

    网络节点选择CC2530处理器芯片作为核心处理器。CC2530不仅集成有具有高性能的2.4Gz DSSS射频收发器,提供了101DB的链路质量,具有优良的无线接收灵敏度和抗干扰性能;而且集成有一个工业标准增强型8051MCU微控制器,有齐全的外设支持功能。这样可以保证在协议栈正常开发的同时,还可以用此处理器实现各类传感器的参数采集和初步处理;一个单芯片就能搭建功能齐全的网络节点,具有经济性好的优势。CC2530内部已经集成了许多必要的电路,只需要在其外围配置少量的元器件即可实现无线收发及数据处理功能。节点的射频电路部分见图2所示。

    图2 节点的射频电路

    图2 节点的射频电路   


    1.3 环境数据采集节点传感器模块电路设计

    本文选择AM2322集成温湿度传感器模块搭建传感器电路。AM2322是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合型集成传感器,具有温度精度±0.3℃、湿度精度±2%RH的高精度的优秀性能,其温度采集量程范围是-40~80℃,湿度采集量程范围是0~99.9%RH,完全覆盖了大多数仓库环境参数可能出现的范围。其在完全工作状态时,额定直流功耗电流500μA,在休眠状态时,额定直流功耗电流20μA。由于仓库的温湿度都有一定的惯性,因此我们可以采取每间隔一小段时间采样一次并上传一次数据至监控主控机的检测方法,这就使得整个系统的低功耗成为可能。环境数据采集节点传感器模块电路见图3所示。

    图3 传感器模块电路

    图3 传感器模块电路  


    1.4 采集节点电源模块设计

    采集节点电源模块采用可充电电池,配以TPS60210升压调节电荷泵集成电路(TI),TPS60210在1.8V~3.6V输入电压范围内可以产生3.3V±4%的输出电压。TPS60210体积小,转换效率高,价格不高。其9号管脚接低电平时,芯片进入睡眠工作模式,典型静态电流为2μA,输出电压3.3V±6%,负载电流2m A;9号管脚接高电平时,芯片进入正常工作模式,输出电压3.3V±4%,负载电流100m A;为保险起见,在其输出端并接一个100μF的电容。把其9号管脚连接在CC2530处理器芯片的I/O端口管脚上,就能合理控制其工作模式,实现节约能源的效果。其10号管脚在输入电压过低时,会输出低压报警信号。把其9号管脚连接在CC2530处理器芯片的I/O端口管脚上,当输入电压过低时,CC2530将通过Zig Bee网络把低压报警信号传输到主控机,提醒工作人员进行充电。电源模块的电路见图4,其中DO选择肖特基二极管。

    图4 电源模块电路

    图4 电源模块电路   

    1.5 控制节点的硬件组成

    与终端节点基本相同,射频电路部分与图2所示部分相同,不同的是控制节点的电源模块采用经市电变压整流稳压的直流稳压电路;控制节点控制执行模块的电路见图5,其输入端应该注意连接在CC2530处理器芯片的有驱动能力的I/O端口管脚上,例如9号管脚端口,11号管脚端口;注意到其继电器输出端的负载能力,因为控制的设备功率大,所以通过中间继电器、接触器放大控制能力。

    图5 控制执行模块电路

    图5 控制执行模块电路  


    1.6 网络协调器节点的硬件组成

    与终端节点基本相同,射频电路部分与图2所示部分相同,不同的是网络协调器节点的电源模块采用经市电变压整流稳压的直流稳压电路;其通过RS232与主控机交换信息。

    图6 主程序流程图

    图6 主程序流程图   


    2 系统软件设计

    2.1 系统整体软件设计方案

    系统首先完成组网,系统组网成功后进入环境监控工作状态,采集节点(多个)采集环境温湿度数据并及时进行初步处理,然后发送给网络协调器,网络协调器再发送给主控机;主控机接收数据,对数据进行保存、处理,发现数据异常及时通过网络协调器向控制节点发送指令,控制相应调控设备进行调控。系统环境监控主程序流程图如图6所示,其中的初始化包括成功组建网络。

    2.2 网络协调器的软件设计

    网络协调器的软件设计基于TI的CC2530支持的Zig Bee协议栈软件。网络协调器通电初始化后首先要创建Zig Bee网络,其创建Zig Bee网络的过程包括,进行能量扫描,根据能量扫描的结果选择合适的信道,为自身网络选择一个网络标识,调用相应软件创建Zig Bee网络,成功创建网络后,进入允许加入模式,以接受采集节点和控制节点的加入网络请求;在各采集节点和控制节点成功加入网络,Zig Bee网络成功组网后,系统进入监控工作模式。网络协调器的软件流程图见图7。

    图7 网络协调器的软件流程图

    图7 网络协调器的软件流程图 


    2.3 采集节点的软件设计

    采集节点的软件设计同样是基于TI的CC2530支持的Zig Bee协议栈软件。采集节点通电初始化后首先要加入ZigBee网络,其加入Zig Bee网络的过程包括,对周围环境进行信道能量扫描,侦听是否有网络,发现网络协调器的信号正常,然后接收信号,保存网络协调器的MAC地址,根据这个地址向网络协调器发送加入Zig Bee网络的请求;然后接收网络协调器的应答信号,这个应答信号的数据包中包含有分配给其的网络短地址,采集节点对这个短地址进行配置,以后就可以利用这个短地址和网络协调器进行通信。这样该采集节点就成功加入了网络,然后就进入环境数据采集工作状态。其软件流程图见图8。

    2.4 控制节点的软件设计

    控制节点的软件设计同样是基于TI的CC2530支持的Zig Bee协议栈软件。控制节点通电初始化后首先要加入ZigBee网络,其加入Zig Bee网络的过程包括,对周围环境进行信道能量扫描,侦听是否有网络,发现网络协调器的信号正常,然后接收信号,保存网络协调器的MAC地址,根据这个地址向网络协调器发送加入Zig Bee网络的请求;然后接收网络协调器的应答信号,这个应答信号的数据包中包含有分配给其的网络短地址,控制节点对这个短地址进行配置,以后就可以利用这个短地址和网络协调器进行通信。这样该控制节点就成功加入了网络,然后就进入环境数据控制工作状态。其软件流程图见图9。

    图8 软件流程图

    图8 软件流程图   下载原图


    3 系统调试

    3.1 初步组网调试

    把网络协调器程序导入网络协调器节点中,把采集节点程序导入各采集节点中,把控制节点程序导入各控制节点中,然后进行组网,直到各节点均已正常加入网络,各节点数据均能进行正常的收发,初步组网调试完成。

    3.2 工作组网调试

    初步组网调试完成后,把各采集节点、控制节点设置到工作位置,测试其信号收发的可靠性。为提高接收信号的强度,对网络协调器配置有外接杆状天线;采集节点或者控制节点,一般采用PCB天线,根据现场测试结果发现接收效果不理想的,如距离远的节点,通过配置外接杆状天线改进。

    图9 软件流程图

    图9 软件流程图   


    4 结束语

    基于CC2530的仓库无线环境监控系统,解决了仓库有线环境监控系统布线复杂、线缆成本高的问题,提高了仓库环境监控系统的灵活性和持续改进的便捷性,对于仓库环境监控系统的工艺领域改进和成本控制作用明显。建议对此进行深入研究,以促进技术进步和提高社会经济效益。

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