摘  要： 準(zhǔn)確測(cè)量糧倉(cāng)內(nèi)的溫度是保障糧食質(zhì)量的關(guān)鍵,。介紹了一種基于ZigBee協(xié)議的智能糧倉(cāng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)基于CC2530芯片完成了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感器終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì),，基于ZigBee2007協(xié)議棧與IAR開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成了軟件設(shè)計(jì),，最終實(shí)現(xiàn)了糧倉(cāng)無(wú)線測(cè)溫功能。經(jīng)測(cè)試表明,，本溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測(cè)量溫度,，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具備使用性,。

　　關(guān)鍵詞： ZigBee,；無(wú)線測(cè)溫；CC2530

0 引言

　　維持一定數(shù)量,、品種和品質(zhì)的糧食儲(chǔ)備,，是保障國(guó)家糧食安全的重要措施。危害我國(guó)儲(chǔ)糧的因素包括霉變,、害蟲(chóng)等多個(gè)方面,。而上述危害都與糧倉(cāng)的溫度有密切關(guān)系。因此,，準(zhǔn)確,、實(shí)時(shí)的監(jiān)控糧倉(cāng)內(nèi)不同地方的溫度，是儲(chǔ)糧系統(tǒng)必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題,。由于糧倉(cāng)內(nèi)的環(huán)境限制,，使用有線方式建立網(wǎng)絡(luò)有諸多不便，而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)則對(duì)環(huán)境具有極大適應(yīng)性,，與有線方式相比,，優(yōu)勢(shì)明顯,。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee技術(shù)由于其低復(fù)雜度,、低功耗,、低速率、低成本的特點(diǎn),，在傳輸距離短,、傳輸速率要求不高的情況下，具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),。

　　基于上述優(yōu)點(diǎn)以及溫度監(jiān)控的重要性,，本文開(kāi)展了基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先基于CC2530芯片完成了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與傳感器終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì),，然后基于ZigBee2007協(xié)議棧完成了軟件設(shè)計(jì),，并通過(guò)實(shí)際溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性,。

1 智能糧倉(cāng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　智能糧倉(cāng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)及ZigBee技術(shù),，實(shí)現(xiàn)對(duì)糧倉(cāng)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。從技術(shù)架構(gòu)上來(lái)看,，智能糧倉(cāng)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以分為感知層,、傳輸層和應(yīng)用層。感知層承擔(dān)感知溫度信息的任務(wù)并執(zhí)行來(lái)自上層的命令,，傳輸層負(fù)責(zé)傳遞感知層獲得的信息,，應(yīng)用層則主要進(jìn)行信息的處理，并提供人機(jī)交互界面,。此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成感知層,，用以測(cè)量溫度,，協(xié)調(diào)器作用在傳輸層，負(fù)責(zé)傳遞溫度信息,，而上位機(jī)則位于應(yīng)用層,，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信息進(jìn)行處理，并通過(guò)界面進(jìn)行顯示,。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文實(shí)驗(yàn)中，ZigBee芯片選用CC2530芯片,。CC2530芯片上系統(tǒng)（SoC）是高度集成的解決方案,，可支持快速、廉價(jià)的ZigBee節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建,。此芯片整合了業(yè)界領(lǐng)先的2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee RF收發(fā)機(jī),，以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU的卓越性能,，該系統(tǒng)還包括了8 KB的RAM，大容量閃存,，并且集成了AES安全協(xié)處理器,，以及許多其他強(qiáng)大特性[1]。硬件設(shè)計(jì)的工作主要分為兩部分：溫度控制中心（即協(xié)調(diào)器）硬件設(shè)計(jì)以及溫度監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì),。硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后的運(yùn)行狀態(tài)如圖2所示,，其中上方的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)為傳感器終端節(jié)點(diǎn)，下方的一個(gè)節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),。

　　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)主要是基于TI公司開(kāi)發(fā)的ZigBee開(kāi)發(fā)套件,，利用RS232串口實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間的通信。如圖2中所示,，協(xié)調(diào)器利用RS232串口線與電腦相連接,，將接收到的信息傳遞給此上位機(jī)[2]。

　　溫度監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)的主要工作是在原開(kāi)發(fā)套件的基礎(chǔ)上增加了外接電路的設(shè)計(jì),，集成了溫度傳感器,、信號(hào)LED燈等外置原件。

　　此硬件系統(tǒng)具有優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能,，功能較為完善,。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 ZigBee協(xié)議

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,，ZigBee技術(shù)是一種短距離,、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱(chēng)（又稱(chēng)紫蜂協(xié)議）來(lái)源于蜜蜂的八字舞,，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息,，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)[3]。其特點(diǎn)是近距離,、低復(fù)雜度,、自組織、低功耗,、低數(shù)據(jù)速率,。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備,。簡(jiǎn)而言之,，ZigBee就是一種低成本、低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù),。

　　3.2 ZigBee協(xié)議棧

　　協(xié)議定義的是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn),，通信雙方需要共同按照這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)，而協(xié)議棧就是協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式，通俗的理解為用代碼實(shí)現(xiàn)的函數(shù)庫(kù),，以便于開(kāi)發(fā)人員調(diào)用,。ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)共有5部分組成：物理層、MAC層,、網(wǎng)絡(luò)層,、安全層和應(yīng)用技術(shù)層。而ZigBee協(xié)議將其分為了兩部分,，其中IEEE 802.15.4定義了物理層和MAC層技術(shù)規(guī)范,，ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用技術(shù)層規(guī)范,。ZigBee協(xié)議棧就是將各個(gè)層定義的協(xié)議棧都集合在一起,，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，并給用戶提供一些應(yīng)用層API,，供用戶使用,。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖3所示[4]。

　　3.3 ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要分為ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)與溫度監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)軟件設(shè)計(jì),。

　　ZigBee模塊軟件設(shè)計(jì)基于IAR開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及ZigBee2007協(xié)議棧,，并使用C語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)[5]。其中,，終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了溫度信息的采集并遵從ZigBee協(xié)議發(fā)送給協(xié)調(diào)器,，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)終端節(jié)點(diǎn)傳遞信息的接收，并定義了與上位機(jī)間的通信協(xié)議,，實(shí)現(xiàn)了與上位機(jī)之間的通信[6],。

　　圖4展示了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行流程[7]。協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)都需要在運(yùn)行開(kāi)始時(shí)進(jìn)行初始化操作,，此后由協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò),，并等待終端節(jié)點(diǎn)的加入，終端節(jié)點(diǎn)則在檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)后加入網(wǎng)絡(luò),。入網(wǎng)成功后終端節(jié)點(diǎn)就可以通過(guò)基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳遞并由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收,，再將收到的信息通過(guò)串口傳遞給上位機(jī)[8]。

　　3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)基于Microsoft Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)平臺(tái)并使用C#進(jìn)行開(kāi)發(fā),，本設(shè)計(jì)提供了人機(jī)交互界面[9]，使用RS232串口實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器與上位機(jī)的通信,，并遵循與協(xié)調(diào)器之間的通信協(xié)議,，成功接收來(lái)自協(xié)調(diào)器的信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的監(jiān)測(cè),。通信協(xié)議的協(xié)議幀格式如圖5所示[10],。

　　P1為幀開(kāi)始，表征新的一幀的開(kāi)始,，P2為節(jié)點(diǎn)編號(hào),，用以區(qū)分不同的終端節(jié)點(diǎn),，P3為幀長(zhǎng)度，P4為所測(cè)得的溫度數(shù)據(jù),，P5為命令字,，用來(lái)區(qū)分幀的功能，P6為校驗(yàn)碼,，用來(lái)保證數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性[11],。

　　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。界面效果如圖7所示,。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　為了驗(yàn)證此溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性,，利用模擬糧倉(cāng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的測(cè)溫系統(tǒng)由15個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成,。實(shí)驗(yàn)中將終端節(jié)點(diǎn)分置于模擬糧倉(cāng)內(nèi)預(yù)定位置,，協(xié)調(diào)器置于模擬糧倉(cāng)外，并同時(shí)用溫度計(jì)測(cè)量模擬糧倉(cāng)內(nèi)的溫度,。為了驗(yàn)證此溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性,，分別在7點(diǎn)30分、13點(diǎn)與18點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,，測(cè)試所得結(jié)果如表1所示,。

　　通過(guò)最終所獲得的溫度平均誤差可以看出，此無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)所測(cè)溫度精確度較高,。由此可見(jiàn),，基于ZigBee協(xié)議所設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是有效的，充分發(fā)揮了ZigBee的優(yōu)勢(shì),，具有一定的實(shí)用性,，可以用于糧倉(cāng)內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)[12]。

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