CC2430與DS18B20的糧庫溫度傳感器網絡設計

1 傳感器網絡體系結構

??? 一個典型的傳感器網絡的體系結構包括分布式的傳感器節點、網關節點、互聯網和用戶界面等。在傳感器網絡中，節點布置在被監測區域內。每個傳感網絡裝備有一個連接到傳輸網絡的網關。網關通過傳輸網絡把被測數據從傳感區域傳到提供遠程連接和數據處理的基站，基站再通過Internet連到遠程數據庫。最后采集到的數據經分析、挖掘后通過一界面提供給終端用戶。

??? 本系統主要結構是每個CC2430模塊掛接多個DS18820溫度傳感器。溫度傳感器按一定規律布置在糧庫中，通過單總線與當前CC2430模塊連接；利用無線傳感器網絡組網技術將這些CC2430模塊組網，并把數據發送到本倉數據集中器，通過網橋將數據集中器與當地監控主機連接，如圖1所示。最后通過Internet將遠程終端用戶與當地監測系統連接，實現遠程網絡化糧庫數量監控，如圖2所示。

2 傳感器布置模型

??? 平房倉糧堆溫度數據信息采集系統監測點布置平面示意圖如圖3所示。倉內溫度傳感器的設定是相對東、南、西、北側墻向內每側各布置3組溫度傳感器，其中每組間距為1 m；東、南、西、北各側由墻向內布置的間距分別是0．25 m、0．25 m、0．5 m、1．0 m、1．0 m……。

??? 平房倉糧堆溫度數據信息采集系統監測點立面示意圖如圖4所示。糧堆溫度監測點分別由糧面向下和由倉底向上布置，按照6m裝糧高度每根單總線電纜設置8只溫度傳感器，自糧面向下及自倉底向上傳感器布置間距為0．30 m、0．70 m、1．0 m、1．0 m。對倉內東、南、西、北各側3組同一平面的3個糧堆溫度監測點的數據信息采取求平均值的方法進行整理，以提高監測數據信息的可靠性和準確性。

3 DS18B20單總線溫度傳感器

??? DS18820數字溫度計提供9位(二進制)溫度讀數，指示器件的溫度信息經過單線接口送入DS18820或從DS18820送出，因此從主機CPU到DS18820僅需一條線(和地線)。DS18820的電源可以由數據線本身提供，而不需要外部電源。因為每一個DS18820在出廠時已經給定了唯一的序號，因此任意多個DS18820可以存放在同一條單線總線上，這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。DS18820的測量范圍從-55℃～+125℃，增量值為0．5℃，可在1 s(典型值)內把溫度變換成數字。DS18820與CC2430的接口電路如圖5所示。

??? 多個DS18820讀溫度流程如下：復位→發55HMATCHROM命令→發64位地址→發44H開始轉換命令→延時→復位→發55HMATCHROM命令→發64位地址→發0BE讀存儲器命令→連續讀出2字節數據(即溫度)→復位→讀下一個器件溫度。

4 CC2430模塊

4．1 CC2430芯片的主要特點

??? CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU(8051)，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器(timer)、AES128協同處理器、看門狗定時器(watchdogtimer)、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(power on reset)、掉電檢測電路(brown out detection)，以及21個可編程I／O引腳。CC2430芯片采用0．18 μmCMOS工藝生產；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

??? CC2430芯片的主要特點如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE 802．15．4標準的2．4GHz的RF無線電收發機；優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性；在休眠模式時僅0．9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統；在待機模式時少于0．6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統；硬件支持CSMA／CA功能；較寬的電壓范圍(2．0～3．6 V)；數字化的RSSI／LQI支持和強大的DMA功能；具有電池監測和溫度感測功能；集成了14位模數轉換的ADC；集成AES安全協處理器；帶有2個強大的支持幾組協議的USART，以及1個符合IEEE802．15．4規范的MAC計時器，1個常規的16位計時器和2個8位計時器；強大和靈活的開發工具。

4．2 CC2430模塊設計

??? CC2430芯片需要很少的外圍部件配合就能實現信號的收發功能。電路使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C112和電感L102、L100、L101以及1個PCB微波傳輸線組成，整個結構滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。內部T／R交換電路完成LNA和PA之間的交換。用1個32 MHz的石英諧振器(X100)和2個電容(C108和C109)構成一個32 MHz的晶振電路。用1個32．768 kHz的石英諧振器(Y100)和2個電容(C110和C111)構成一個32．768 kHz的晶振電路。電壓調節器為所有要求1．8 V電壓的引腳和內部電源供電，C115、C100、C101、C104、C102、C113、C103、C107、C106、C105電容是去耦合電容，用于電源濾波，以提高芯片工作的穩定性，R101、R102為電流提供精確的偏置電阻，如圖6所示。

5 軟件設計

5．1 上位機軟件設計

??? 本系統中，上層管理軟件采用3層C／S模式，實時對傳感器網絡送來的數據進行處理，形成用戶最終關心的數據表現形式。局域網內的終端用戶在經過授權后，可以讀取監控主機上的實時數據，實現遠程的監測。監控應用軟件還對傳感器網絡中的每個節點進行跟蹤管理。對于監控到的異常情況，上層管理軟件使用聲光、短信、電話實時報警方式。可顯示參數列表、實時曲線圖(對應具體數值并任意調整坐標)、實時數據、折算數據、累計數據、歷史、報警畫面、報表等多種顯示。統計功能可根據用戶需求具體設計。

5．2 下位機軟件設計

??? 在網絡中，每個節點都有一個固定的地址。連接于監控主機的傳感器節點是一個特殊的節點，它采用串行接口與監控主機通信。數據的傳送采用主從站方式，與監控主機連接的節點作為主站，控制網絡內的通信時序；其他節點作為從站，可以被主站尋址。主節點主要完成采集各從節點數據，進行預處理；從節點主要完成各種傳感器原始數據的采集工作，如圖7所示。

6 結 論

??? 該無線溫度傳感器網絡以低成本、低功耗無線單片機CC2430為核心，采用DS18820溫度傳感器獲取數據，電路結構簡單、工作穩定可靠、檢測精度高，且具有無線數據通信靈活方便等特點，特別適用于工業現場環境、監測封閉空間和其他需要多點監測的特殊場合。該網絡的應用極大地提高了中央儲備糧管理水平，降低了管理成本，同時提高了糧庫的安全性。