為保證日常工作的順利進行，首要問題是加強倉庫內溫度與濕度的監測工作。傳統的人工測試方法費時費力，效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大；如果利用有線通信網絡線纜將傳感器節點組成糧倉溫濕度檢測網絡，需要對糧倉內部進行較大規模的電源、線纜安裝工作，不便于后續的檢查、維修和改造。因此，溫濕度測控的無線化、智能化和信息化管理已成為包括糧倉系統在內的倉庫儲備技術的發展趨勢。

本文設計采用無線傳感器網絡技術進行周圍環境的檢測和控制。無線傳感器網絡不需要較高的傳輸帶寬，但是需要較低的傳輸時延，同時對功率消耗十分敏感，因此選擇采用無線傳輸芯片和超低功耗嵌入式處理器，構造分布式的無線傳感器監測網絡，以實現對糧倉溫濕度的網絡化實時檢測和報警、通風及排濕控制。

1 MPS430芯片

1．1 芯片功能

    MPS430單片機是由TI公司推出的一系列超低功耗微處理器。它的顯著特性是具有超低功耗，有5個低功耗模式可供選擇，而且喚醒時間很短，只需要6μs，同時還擁有強大的處理能力，豐富的片上外圍模塊，靈活的時鐘系統，穩定的工作狀態，方便高效的開發方式等特點。以上特性使之成為電池供電便攜設備的首選微處理器。

1．2 芯片結構

    本系統以MSP430F449作為傳感器和無線射頻芯片的MCU，其最小系統原理圖如圖1所示。 

圖1　MSP430F449最小系統原理圖

2 無線通信網絡

2．1 ZigBee技術

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術。主要適合于自動控制和遠程控制領域。

從網絡節點邏輯功能上，ZigBee設備可以分為終端設備、路由節點、網絡協調器；一個ZigBee網絡有且僅有一個協調器，該設備負責啟動網絡，配置網絡成員地址，維護網絡等。路由器主要實現擴展網絡及路由消息的功能，終端設備則負責與實際的監控對象相連，是實現具體功能的單元。ZigBee技術可采用的拓撲模型有星型、簇樹型和網狀網絡結構。

2．2 系統網絡結構

本系統采用簇樹型網絡結構，其優點是路由相對比較簡單，便于擴展，可簡化連接。簇樹型網絡結構由一個協調器和多個星型結構連接而成，每個星型結構中包括數個數據采集節點(終端設備)和一個或多個路由節點，網絡拓撲結構如圖2所示。

 圖2　系統網絡結構圖

系統采用ZigBee協議實現設備之間的無線通信，數據采集節點負責采集現場溫濕度數據，通過無線模塊將數據發送給路由節點；路由器節點對信息進行綜合后把數據傳送給協調器；協調器通過RS 232串口與PC機相連，用來收集整個網絡中的數據，并能向數據采集節點發送命令和參數設置信息，實現與終端設備的通信。

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3 硬件設計

3．1 數據采集節點設計

每個數據采集節點由數字化溫濕度傳感器(SHT11)、數據處理單元(MSP430)、無線傳輸模塊(CC2500)及時鐘日歷模塊(PCF8563)組成，如圖3所示。 

 圖3　系統網絡結構圖

溫濕度傳感器SHT11完成區域內的溫濕度信息采集和數據轉換；數據處理單元負責控制整個傳感器節點的操作和數據存儲；無線模塊負責與其他傳感器節點進行通信，時鐘日歷模塊為整個系統提供時間基準，同時為采集數據添加時問標志；能量供應模塊部分使用普通電池，為系統各個部分提供能量。

數字傳感器采用瑞士Sensirion公司推出的新型溫濕度傳感器SHT11。該芯片包括濕度和溫度敏感元件、信號放大調理、A／D轉換和I2C總線接口。采集溫濕度數據時，芯片中的2個敏感元件分別將濕度和溫度轉換成電信號，該電信號由微弱信號放大器進行放大后，經過14位的A ／D轉換器變成數字信號，然后通過I2C總線接口輸出數字信號。溫濕度傳感器SHT11與單片機的電路連接圖如圖4所示。

圖4　傳感器與單片機電路連接圖

無線模塊中CC2500芯片是Chipcon公司推出的單片無線收發一體化芯片，是業界體積最小，功耗最少，外圍元件最少的低成本射頻系統級芯片之一，其主要特性有體積小，外圍電路簡單；低功耗，靈敏度高，速率可調；支持包數據處理；接收數據時，有信息同步字自動檢測、地址檢測、信息長度分析和CRC校驗等功能；具有WOR功能，保證芯片在深度睡眠時周期性地蘇醒，探聽周圍是否有信號。

時鐘日歷模塊的PCF8563是PHILIPS公司生產的低功耗CMOS實時時鐘／日歷芯片，通過I2C總線接口與單片機連接，連接圖如圖5所示，可向單片機發送當前時間信息，并提供時鐘基準信號。

 圖5　PCF8563與單片機電路連接圖

單片機MSP430F449通過SPI總線與CC2500芯片的接口連接，發送端與接受端硬件連接幾乎一樣，具有通用性，可實現半雙工通信。

    數據采集節點由單片機MSP430F449控制，定時向溫濕度傳感器SHT11發送讀溫度和濕度指令，SHT11檢測溫濕度信息，并輸出數字信號，MSP430F449在接收到溫濕度的數值后，將這些數據傳輸至CC2500，由CC2500負責對信號進行打包處理，并發送給路由節點。

為了降低系統功耗，數據采集節點通常在閑置時進入休眠模式，其外設模塊也進入休眠狀態，或者電源管理部分不對這些外設模塊供電。

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3．2 數據收發節點設計

路由節點和協調器都屬于數據收發節點，負責數據的收發和處理，主要由數據處理模塊(MPS430)、無線模塊(CC2500)和一些外圍器件構成，路由節點采用電池供電，協調器采用USB供電或者是交流電供電，其結構圖如圖6所示。

圖6　數據收發節點結構圖 

協調器通過串口RS 232與PC機相連，其功能相當于一個接入點，一方面將主機向數據采集端發送的控制信號以無線的方式發射出去，另一方面接收采集數據并上傳給主機。

4 軟件設計

系統軟件主要包括數據采集程序和數據收發程序兩部分，它們都包括初始化程序、發射程序和接收程序。

初始化程序主要是對單片機、射頻芯片、SPI接口等進行設置；發射程序將建立的數據包通過單片機SPI接口送至無線模塊輸出；接收程序完成數據的接收并進行處理。數據采集子程序主要負責根據無線命令實時采集糧倉的溫濕度數據信息，軟件流程如圖7所示。

圖7　數據采集程序流程圖

數據收發程序主要負責向數據采集節點發送信息，并接收返回數據，綜合后向上層節點傳送，軟件流程如圖8所示。

圖8　數據收發程序流程圖

5 結語

本文以低成本、低功耗為目標，采用ZigBee技術和CC2500芯片，設計基于MPS430單片機的糧倉溫濕度檢測系統，網絡結構簡單，系統成本低，且易于擴展，整個系統能夠滿足長時間糧倉溫濕度監測的需求，具有較高的可靠性和穩定性，在實際中有很好的應用價值。