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无线监测洁净厂房温湿度控制系统
引言
随着工业生产技术的迅猛发展，超大规模的生产厂房不断涌现。半导体等洁净厂房对环境指标要求较为严格，保持车间内的各类环境参数的稳定可以大大提高产品的良品率[1]。该类环境参数自动控制通过空调系统、排风系统、空气过滤系统、自动控制系统等各类子系统的协作来实现。因此，如何在一个生产厂房内设计出一套先进、可靠的环境参数监视和控制系统对保证生产质量以及工作人员舒适性有着十分重要的现实意义。
本文以大规模厂房为背景，论述一种融合无线传感器网络( Wireless Sensor Network, WSN)技术的厂房温湿度监控方案。基于WSN的温湿度采集节点可?以自组织形成一个传感器网络，该网络保证了数据传输的可靠性又使得采集节点的移动性得到加强。无线采集节点布置时的灵活性弥补了传统有线温湿度监控的不足，同时其安装费用低廉，可满足大规模厂房里多节点温湿度测量和控制的需求[2]。
1 无线传感器网络介绍
1.1无线传感器网络
无线传感器网络是一种由传感器节点组成并通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，可用于实现协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息并发送给观察者等功能。无线传感器网络在满足了灵活性、可靠性和安全性的同时，可降低工业环境的监测成本，同时缩减传统有线网络监测的繁琐流程，为随机性的研究数据获取提供了便利。当前比较常见的组网方式有无线局域网(Wi-Fi)、蓝牙( Bluetooth)和ZigBee技术。
1.2 ZigBee介绍
ZigBee是一种基于IEEE802.15.4无线标准的可靠、安全、网络拓扑能力强并且低成本的双向通信技术[3]。相比于其他常见的无线通信方式，ZigBee具有功耗低、组网能力强、协议简单、成本低等优点，单个协调器可以组建出一个可容纳超过65000个子节点的无线传感器网络。ZigBee协议栈工作效率很高，其协议层从底层到顶层可分为物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)、网络层(NWK)、安全层和应用层(API)，协议栈框架如图l所示。
1.3 ZigBee网络结构
ZigBee无线网络按结构可划分为星形、树形、网状三种拓扑，如图2所示。星型结构的无线网络最简单，由一个协调器完成网络建立，可将具有目标网络标识符( PANID)的终端子节点加入到网络中并给其分配一个短地址，协调器通过该短地址可以区分不同的了节点;树形结构网络中包括一个协调器、若干路由节点和一系列终端子节点，路由节点除了可直接和协调器传递数据，还可以实现与其他路由节点及终端子节点进线数据通信，该种方式扩大了网络覆盖范围网状结构与树形结构有共同点，网络中的路由节点还可通过自组织实现多个通道的数据通信，在冗余的通信路径下可大大提高无线传感器网络通信的可靠性。对于规模较小的厂房，若环境监测主机至传感器节点距离未超过100 m，则组建星型结构的无线网络即可满足；若要对规模达到几万m2的大型厂房实现温湿度监控， 则组建网状结构的无线传感器网络最为妥当。
2系统硬件设计
2.1系统硬件组成
系统设计了基于CC2530的低功耗ZigBee无线网络，无线模块包含协调器模块、路由节点模块和终端子节点模块三种。ZigBee主芯片选用TI公司集成Flash的CC2530芯片，基于CC2530同时结合TI业界领先的Z-Stack协议栈可开发出一个低功耗的远程无线解决方案，上述三种模块各包含CC2530最小系统电路部分[4]。此外协调器模块含有串口通信电路，可实现与上位机数据通信功能：对于路由节点模块，因其仅实现ZigBee模块间的无线通信，因而仅含有基本电路即可；终端子节点模块负责数据的采集，因此模块上需要设计传感器及其附属电路。为加强无线传输距离，可在模块上加入CC2591射频前端功率放大芯片。系统的硬件组成如图3所示。
2.2 ZigBee最小系统
CC2530芯片内部集成度很高，只需在芯片外围连接少量电容、电阻、电感及晶振等元件即可工作。芯片内部已集成阻容振荡器，但容易受环境温度的影响从而造成时钟不精确。因此在外围电路设计振动频率为32 MHz和32 kHz的晶振，并使用27pF的电容帮助起振，分别用于射频(RF)和定时器的正常工作。考虑到后期更换、维修等情况，设计电路时可将所有引脚引至排针，可通过可插拔形式将其固定在母板上同时最小系统供电取自母板。CC2530最小系统是协调器、路由节点和子节点实现无线功能的最基本电路其原理如图4所示。
2.3协调器模块设计
协调器负责整个无线传感器网络的运营，该部分硬件设计直接关系到网络的稳定性。协调器模块主要包括通信电路、按键及复位电路、LCD显示电路、电源电路和射频功率放大等电路。通信电路基于RS232串口通信协议设计，用于实现和上位机的数据交换；LCD显示电路可以用来指示路由节点和终端子节点的工作状态；为给协调器提供一个质量好的3.3V工作电压，可设计一个基于低压差线性稳压器的稳压电路；另外在协调器设计中，加入射频前端功率放大器CC2591及外围电路，从而可以扩大信号传输距离，保证与较远无线模块之间的有效通信。协调器模块硬件结构如图5所示。
2.4子节点模块设计
系统的无线网络子节点用于获取厂房温湿度值，是传感器网络的基本组成单元。子节点模块主要包含用于采集温湿度的传感器电路、LCD显示电路、电源等电路。系统选用四引脚、内部自带14位A/D转换器并以工业标准I2C总线通信的SHT15温湿度传感器，I2C总线可由CC2530单片机的I/O接口模拟而成，传感器精度也满足工业级别监控的要求；模块设置LCD显示单元，可用于现场监测点的温湿度值的显示：子节点模块可用体积小、容量大的锂电池供电，免去了繁琐的布线，使得子节点移动性、扩展性得到加强[5]。子节点模块硬件结构如图6所示。
3系统软件设计
3.1系统软件总体方案
系统软件包括上位机监控软件和下位机无线传感网络系统软件两大部分。上位机系统软件基于Visual Studi0 2010平台、采用C++语言开发，通过串口通信方式获取传感器节点采集到的温湿度数据并将数据解析后存储到数据库中，同时可对整个传感器网络组网信息进行监控，此外上位机可根据采集到的数据控制空调系统的运行。
下位机系统软件基于Z-Stack进行开发，Z-Stack是德州仪器公司推出的一种分布式寻址，能够为ZigBee无线网络提供一个完整的解决方案，同时符合ZigBee规范的一种协议栈。Z-Stack协议栈里包含OSAL小型操作系统，官方已经将底层驱动程序编写并调试完毕，用户只需熟悉Z-Stack的应用层，在该层里根据C语言或者ASM语言的语法往里添加自定义功能函数，添加完毕后按照协议栈的任务调度模式，即协议栈的轮询优先控制方式进行自定义任务的管理。Z-Stack协议栈软件结构如图7所示。
3.2协调器软件设计
协调器负责组建网络和管理网络，上电后首先进行系统初始化，接着创建无线网络并将无线信号接收范围内具有目标网络标识符的路由节点和终端子节点加入到网络中，然后打开全局中断并进入数据采集环节；数据采集频率可以自定义，通过协调器的定时器控制广播参数采集指令，并等待接收来自各个子节点的数据，最后接收完毕后，协调器将数据打包并通过串口发送至上位机，采集过程将一直持续进行。协调器软件设计流程图如图8所示。
3.3子节点软件设计
终端子节点模块上设有传感器，负责采集监测区内的温湿度值，同时能够通过无线形式与协调器进行数据交换。子节点上电后首先进行系统初始化，接着开始搜索无线信号范围内的网络同时发送申请入网的信息，待协调器确认子节点的目标网络标识符后便可组入网络。出于功耗考虑，若子节点未收到协调器广播的参数采集指令，则会一直处于低功耗休眠工作模式下。当有数据传输请求时，子节点可立即由休眠模式转入正常工作模式，继而可以进行环境温湿度值的采集，并将数据发送给协调器。子节点软件设计流程图如图9所示。
4实验结果
为验证系统设计方案的可行性，选取国内某一洁净厂房作为实验对象。将三个无线温湿度采集节点布置于洁净室不同位置，同时协调器置于洁净室中间位置，实验时洁净室内的空调系统和生产线均正常运行系统上电后建立无线网络，设定采集频率为每5 min采集一组温湿度数据，完成一系列初始化后开始工作上位机通过串口通信方式获取协调器发送的包含子节点短地址(Dev ID)信息及子节点采集到的温湿度数值的数据包，并加以解析后将温湿度值、短地址存入SQL Server 2008数据库中，同时记录下采集数据的时间，数据库存储结果如图10所示。由数据看出，洁净室内不同位置的温度和相对湿度值稍有差异，但总体满足洁净室生产工艺的要求。
5结语
本系统采用ZigBee技术结台SHT15高精度数字式温湿度传感器创建了一个无线传感器网络。无线方式的监控方案弥补了传统有线温湿度监控的不足，具有结构简单、组网灵活、移动性强、超低功耗等特点，在工业厂房的环境监控领域内有着非常好的应用前景。
参考文献
[l]陈行忠.半导体洁净室温湿度控制[J]淮南师范学院学报，2009
[2]宋莲花，郭光.基于ZigBee的温湿度采集系统设计[J].中文信息.2014
[3]庄严ZigBee网络结构及协议分析[J]电子技术与软件工程.2014
[4]高翔，邓永莉．吕愿愿，陆起涌.基于Z-Stack协议栈的zigBee网络节能算法的研究[J].传感技术学报，2014
[5]王冬霞，张玉辉．洪耀琼.温湿度传感嚣SHT15及其在嵌入式系统中的应用[J]电子设计工程，2011
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