无线温度传感网络在冰箱性能检测系统中的应用

在冰箱性能检测中，温度是一项主要指标。在一条现代冰箱生产线上，通常需要几百甚至上千个温度探头。传统的模拟温度传感器探头的两根导线经切换开关矩阵连接到数据采集处理模块上。这种方式存在诸多技术问题（如布线问题、多点切换误差问题），可靠性差和零点漂移误差校准复杂，同时系统建设复杂、维护成本较高。而第二代温度采集系统采用数字温度传感器（例如DS18B20）,并利用RS485单总线传输数据，精度高，抗干扰性强，一条数据总线上可以连接256个传感器,从而解决了传输线数量繁多的问题，而且精度高、抗干扰性强。但是，这种结构一旦总线发生故障,所有器件将失去与控制中心的数据交换，从而使检测系统无法正常运行。此外，在滑轴线测试方式中，冰箱随滑轴线传送带不停地移动，并不断有受检冰箱的增加或减少，因此，使用RS485总线仍有诸多不便。近年来，无线传感网络的大容量（ZigBee无线传感系统最多可容纳6万多个节点）、低功耗、高可靠性、无需布线等特点，使其在工业监控和检测中得到广泛应用。本文以温度数据采集为例，介绍了无线传感网络在冰箱性能检测系统中的应用。

ZigBee技术具有低功耗、低成本、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等诸多优点，是目前普遍采用的无线传感网解决方案工。2009年4月，TI公司推出了第二代IEEE802.15.4/ZigBee无线单片机CC2530。本文就是以ZigBee技术为依托，以CC2530为核心，结合MAXIM半导体公司生产的可组网数字式温度传感器DS18B20来设计无线温度传感网络。

1  系统硬件组成

      滑轴线式冰箱性能检测系统示意图如图1所示。

在检测线上,冰箱随滑轴线传送带不停地循环移动，且冰箱不断增加或减少，因此，采用无线检测系统就能满足动态需求，同时可以解决以往有线检测系统因恶劣工作环境而引起的传输总线故障等问题。

由一定量的无线终端节点（无线温度传感模块）加上协调器节点组成无线温度传感网络。每个终端节点由无线单片机，温度传感器，电源等三部分组成。图2所示是其终端节点的结构示意图。而协调器节点则不包含温度传感器。每个终端节点控制四个温度传感器（可以按实际需要增减个数，也可连接其它类型的传感器），可采集冰箱内的温度。终端节点分别采集四个温度数据并存储在存储区,然后采用无线方式将数据发送给协调器节点并传递给PC机做进一步处理。由N个节点组成的无线传感网络的拓朴结构如图3所示。

1.1  无线单片机模块

无线单片机选用TI公司的CC253O芯片能够以非常低的成本建立网络节点。CC2530具有不同的运行模式，可适应超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间短，因而可进一步确保低能耗。 CC253O的RF收发器工作于2.4GHz的ISM频段，且具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能。CC253O的工作环境温度范围是－40 °C〜＋125 °C,其外围电路设计如图4所示。

1.2  温度采集模块

       温度采集模块选用美国MAXIM半导体公司的数字化温度传感器

       DS18B20,该传感器支持“一线总线”接口，并可大大提高系统的抗干扰性，比较适合于恶劣环境的现场温度测量，测量温度范围为一55°C〜+125°C。DS18B20的几个特性包括：64位光刻ROM,内置产品序列号，每个芯片唯一编码；内置EEPROM,且具备限温报警功能；零待机功耗；无需外部器件等。DS18B20的输出数据为两个字节，最高达12位分辨率,也可以设置为11,10,9三种。DS18B20的外观及寄生电源工作方式的工作电路如图5所示。

1.3  电源模块

本系统采用LTC3441高效DC/DC转换器来设计直流稳压源，它在输入电压高于、低于或等于输出 电压的条件下仍能进行工作，输出电压稳定度高。其电路设计及输出效率示意图如图6所示。

2  系统软件设计

系统工作时，终端节点将按照预设的工作方式（例如每30秒对四个传感器采集一次）进行温度采集，之后，数据将通过无线方式发送到网络协调器节点并传送给PC机进行下一步的处理。

2.1  系统主程序

本系统软件主要完成初始化、网络建立、温度读取、数据收发和报警输出等功能，其主程序流程如图7所示。

2.2  系统组网

ZigBee协议规范中共定义了三种类型的节点，分别是协调器节点、路由节点和终端节点。本设计结构简单，可釆用星形拓扑结构实现，但不包含路由节点。协调器节点负责组建整个网络，可选择网络通信信道，以及管理网络中网络节点的入网及退网。终端节点负责对传感器进行操作，完成协调器节点发送的命令并进行汇报。

在协调器节点启动并初始化后，可开始着手组建网络。首先由协调器节点进行信道扫描，并选择一个空闲的信道，之后再设置自己的网络PANID、16位网络地址以及ZigBee网络的网络拓扑结构参数等。这些设置完成以后，整个ZigBee网络就初步组建完成了，之后就可以接受其他节点进入网络中。当节点A向协调器发送入网申请后，协调器确认自己是否有能力接受该节点，如果能接受该节点，就为它随机分配一个网络中唯一的16位网络地址，并发出入网应答，节点A收到应答就标志着成功加入网络。已入网的节点A离开网络时首先向协调器节点发送解除网络关系请求，当节点A收到解除应答后就成功离开网络。

2.3  温度传感器DS18B20的操作流程

因为DS18B20的硬件比较简单，所以，每次操作DS18B20都必须进行复杂且精准的时序操作，否则，DS18B20将无法做出回应。访问DS18B20的执行序列主要分成三步：包括初始化、ROM操作命令和功能命令。当DS18B20采用寄生电源方式且总线上有多个DS18B20时，总线控制器即可启动温度转换，然后读取温度，其操作步骤如表1所列。

DS18B20每次读取温度值后都会拿温度数据与用户预置在温度报警触发器TH与TL中的值进行比较。若大于TH或小于TL,则建立报警标志位并输出报警信号。用户处理完毕后，温度检测正常，报警信号自动消除。

DS18B20的数据输出与温度之间的对应关系如表2所列。

2.4  数据收发

DS18B20釆集温度后，将以整形数据形式传送给CC2530并存储在其数据存储区。CC2530确认数据接收完毕后，可配置收发寄存器并将数据发送给协调器节点，同时由协调器节点通过串口将数据发送给PC机做下一步的处理。

PC机可以通过协调器节点同时对全部或者部分终端节点进行间接控制，例如改变温度采集频率或者进行即时更新等。

3  结语

ZigBee无线传感网分布密度大，节点数量多，稳定可靠。数字式温度传感器DS18B20集温度测量、A/D转换与一体,体积小，具有一线总线结构，数字输出，而且温度读取简单、直观，精确度高，开发过程简单。以此为基础设计的无线温度传感网络硬件简单，稳定性好，可靠性高,可同时监控数千至上万台冰箱，因而系统一次性建设成本和后期维护成本较低，非常适合大规模工业检测。实际应用中，还可根据需求将温度传感器和其他传感器一同挂接在无线单片机上组成多指标的无线传感网络，其方法与此文讲到的方法类似,本文不再详细阐述。实际使用证明，该设计具有一定的实际应用价值和推广价值。