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    基於CC2530的倉庫環境無線監控係統設計

      信息來源:   發布時間:2021-07-24  點擊數:

    倉庫儲存是從生產到市場直至最終用戶的供應鏈中一個重要環節,對於多數物資而言,其在倉庫儲存環節的時間一般要大於在生產線上或者運輸線上的時間。顯然,倉庫環境參數對於庫存物資的安全、保質,減少不必要的損耗至關重要,特別是對於某些對環境參數要求嚴格的物資(例如藥品、生鮮、生物製品),尤其重要。對倉庫環境參數進行監控的主要任務,是提供適宜的溫度、適宜的濕度。目前很多倉庫環境參數的監控,人工操作比例大,不僅工人勞動強度大,監控效果也不理想。文獻[1]提出關於倉庫環境參數的多點自動監控方案,對於提高倉庫環境監控的自動化水平起到了促進作用。但是其關於倉庫環境參數的自動監控方案,監控係統是多點傳感器采集有線係統,布線需要大量電纜,係統維護或者升級工作量大。本文設計了一種基於的倉庫環境無線監控係統,無線係統可以使係統的采樣布置靈活,有利於采樣布置迅速優化;安裝簡單快速,檢查維護方便;係統擴充、改進方式靈活易行,有利於係統的迅速可持續優化;有利於提高倉庫環境監控效果,實現更有效的倉庫環境監控。

    1 係統硬件設計

    1.1 係統硬件整體設計方案

    倉庫無線環境監控係統包括:環境數據采集節點(多點)、網絡協調器、主控機、環境調節控製節點。無線環境監控係統的各組成部分,通過無線網絡連接為一個整體。主控機接收數據,對數據進行保存,按照預定的程序處理數據,發現數據異常及時通過網絡協調器向控製節點發送指令,控製相應調控設備進行調控。網絡協調器負責組建無線網絡(以下簡稱網絡),對網絡進行管理和維護,接收采集節點數據整理後傳送給主控機,接收主控機指令整理後傳送給控製節點。采集節點首先要加入網絡,然後定時采集環境溫濕度數據,實時發送給網絡協調器,然後又進入休眠狀態,等待下一個定時周期喚醒。調控節點首先要加入網絡,然後進入休眠狀態,等待網絡協調器的喚醒信號,然後接收網絡協調器發送的控製指令,控製調控設備工作。無線網絡選擇CC2530(TI)作為處理器,通過Zig Bee係統實現,相比於其它物聯網方案,例如藍牙、Wi-Fi而言,不僅可以具有多節點拓撲模型,而且可以以極低的功耗工作和傳輸信息,這一點對於采用電池供電的無線采集終端節點而言是很重要的。倉庫環境安全無線監控係統的整體結構如圖1所示。

    圖1 係統的整體結構

    圖1 係統的整體結構   


    1.2 無線網絡節點設計

    本文無線網絡選擇Zig Bee係統實現,無線網絡包括采集終端節點和控製終端節點、網絡協調器節點。

    網絡節點選擇CC2530處理器芯片作為核心處理器。CC2530不僅集成有具有高性能的2.4Gz DSSS射頻收發器,提供了101DB的鏈路質量,具有優良的無線接收靈敏度和抗幹擾性能;而且集成有一個工業標準增強型8051MCU微控製器,有齊全的外設支持功能。這樣可以保證在協議棧正常開發的同時,還可以用此處理器實現各類傳感器的參數采集和初步處理;一個單芯片就能搭建功能齊全的網絡節點,具有經濟性好的優勢。CC2530內部已經集成了許多必要的電路,隻需要在其外圍配置少量的元器件即可實現無線收發及數據處理功能。節點的射頻電路部分見圖2所示。

    圖2 節點的射頻電路

    圖2 節點的射頻電路   


    1.3 環境數據采集節點傳感器模塊電路設計

    本文選擇AM2322集成溫濕度傳感器模塊搭建傳感器電路。AM2322是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度複合型集成傳感器,具有溫度精度±0.3℃、濕度精度±2%RH的高精度的優秀性能,其溫度采集量程範圍是-40~80℃,濕度采集量程範圍是0~99.9%RH,完全覆蓋了大多數倉庫環境參數可能出現的範圍。其在完全工作狀態時,額定直流功耗電流500μA,在休眠狀態時,額定直流功耗電流20μA。由於倉庫的溫濕度都有一定的慣性,因此芒果app下载色版本可以采取每間隔一小段時間采樣一次並上傳一次數據至監控主控機的檢測方法,這就使得整個係統的低功耗成為可能。環境數據采集節點傳感器模塊電路見圖3所示。

    圖3 傳感器模塊電路

    圖3 傳感器模塊電路  


    1.4 采集節點電源模塊設計

    采集節點電源模塊采用可充電電池,配以TPS60210升壓調節電荷泵集成電路(TI),TPS60210在1.8V~3.6V輸入電壓範圍內可以產生3.3V±4%的輸出電壓。TPS60210體積小,轉換效率高,價格不高。其9號管腳接低電平時,芯片進入睡眠工作模式,典型靜態電流為2μA,輸出電壓3.3V±6%,負載電流2m A;9號管腳接高電平時,芯片進入正常工作模式,輸出電壓3.3V±4%,負載電流100m A;為保險起見,在其輸出端並接一個100μF的電容。把其9號管腳連接在CC2530處理器芯片的I/O端口管腳上,就能合理控製其工作模式,實現節約能源的效果。其10號管腳在輸入電壓過低時,會輸出低壓報警信號。把其9號管腳連接在CC2530處理器芯片的I/O端口管腳上,當輸入電壓過低時,CC2530將通過Zig Bee網絡把低壓報警信號傳輸到主控機,提醒工作人員進行充電。電源模塊的電路見圖4,其中DO選擇肖特基二極管。

    圖4 電源模塊電路

    圖4 電源模塊電路   

    1.5 控製節點的硬件組成

    與終端節點基本相同,射頻電路部分與圖2所示部分相同,不同的是控製節點的電源模塊采用經市電變壓整流穩壓的直流穩壓電路;控製節點控製執行模塊的電路見圖5,其輸入端應該注意連接在CC2530處理器芯片的有驅動能力的I/O端口管腳上,例如9號管腳端口,11號管腳端口;注意到其繼電器輸出端的負載能力,因為控製的設備功率大,所以通過中間繼電器、接觸器放大控製能力。

    圖5 控製執行模塊電路

    圖5 控製執行模塊電路  


    1.6 網絡協調器節點的硬件組成

    與終端節點基本相同,射頻電路部分與圖2所示部分相同,不同的是網絡協調器節點的電源模塊采用經市電變壓整流穩壓的直流穩壓電路;其通過RS232與主控機交換信息。

    圖6 主程序流程圖

    圖6 主程序流程圖   


    2 係統軟件設計

    2.1 係統整體軟件設計方案

    係統首先完成組網,係統組網成功後進入環境監控工作狀態,采集節點(多個)采集環境溫濕度數據並及時進行初步處理,然後發送給網絡協調器,網絡協調器再發送給主控機;主控機接收數據,對數據進行保存、處理,發現數據異常及時通過網絡協調器向控製節點發送指令,控製相應調控設備進行調控。係統環境監控主程序流程圖如圖6所示,其中的初始化包括成功組建網絡。

    2.2 網絡協調器的軟件設計

    網絡協調器的軟件設計基於TI的CC2530支持的Zig Bee協議棧軟件。網絡協調器通電初始化後首先要創建Zig Bee網絡,其創建Zig Bee網絡的過程包括,進行能量掃描,根據能量掃描的結果選擇合適的信道,為自身網絡選擇一個網絡標識,調用相應軟件創建Zig Bee網絡,成功創建網絡後,進入允許加入模式,以接受采集節點和控製節點的加入網絡請求;在各采集節點和控製節點成功加入網絡,Zig Bee網絡成功組網後,係統進入監控工作模式。網絡協調器的軟件流程圖見圖7。

    圖7 網絡協調器的軟件流程圖

    圖7 網絡協調器的軟件流程圖 


    2.3 采集節點的軟件設計

    采集節點的軟件設計同樣是基於TI的CC2530支持的Zig Bee協議棧軟件。采集節點通電初始化後首先要加入ZigBee網絡,其加入Zig Bee網絡的過程包括,對周圍環境進行信道能量掃描,偵聽是否有網絡,發現網絡協調器的信號正常,然後接收信號,保存網絡協調器的MAC地址,根據這個地址向網絡協調器發送加入Zig Bee網絡的請求;然後接收網絡協調器的應答信號,這個應答信號的數據包中包含有分配給其的網絡短地址,采集節點對這個短地址進行配置,以後就可以利用這個短地址和網絡協調器進行通信。這樣該采集節點就成功加入了網絡,然後就進入環境數據采集工作狀態。其軟件流程圖見圖8。

    2.4 控製節點的軟件設計

    控製節點的軟件設計同樣是基於TI的CC2530支持的Zig Bee協議棧軟件。控製節點通電初始化後首先要加入ZigBee網絡,其加入Zig Bee網絡的過程包括,對周圍環境進行信道能量掃描,偵聽是否有網絡,發現網絡協調器的信號正常,然後接收信號,保存網絡協調器的MAC地址,根據這個地址向網絡協調器發送加入Zig Bee網絡的請求;然後接收網絡協調器的應答信號,這個應答信號的數據包中包含有分配給其的網絡短地址,控製節點對這個短地址進行配置,以後就可以利用這個短地址和網絡協調器進行通信。這樣該控製節點就成功加入了網絡,然後就進入環境數據控製工作狀態。其軟件流程圖見圖9。

    圖8 軟件流程圖

    圖8 軟件流程圖   下載原圖


    3 係統調試

    3.1 初步組網調試

    把網絡協調器程序導入網絡協調器節點中,把采集節點程序導入各采集節點中,把控製節點程序導入各控製節點中,然後進行組網,直到各節點均已正常加入網絡,各節點數據均能進行正常的收發,初步組網調試完成。

    3.2 工作組網調試

    初步組網調試完成後,把各采集節點、控製節點設置到工作位置,測試其信號收發的可靠性。為提高接收信號的強度,對網絡協調器配置有外接杆狀天線;采集節點或者控製節點,一般采用PCB天線,根據現場測試結果發現接收效果不理想的,如距離遠的節點,通過配置外接杆狀天線改進。

    圖9 軟件流程圖

    圖9 軟件流程圖   


    4 結束語

    基於CC2530的倉庫無線環境監控係統,解決了倉庫有線環境監控係統布線複雜、線纜成本高的問題,提高了倉庫環境監控係統的靈活性和持續改進的便捷性,對於倉庫環境監控係統的工藝領域改進和成本控製作用明顯。建議對此進行深入研究,以促進技術進步和提高社會經濟效益。

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