摘要：ZigBee是一种能满意低功耗、低复杂度、低本钱的新的无线通讯技能，文中针对ZigBee的技能特色和SMT厂房的特别的环境要求，提出了一种依据ZigBee无线传感网络的温湿度监控体系。本体系以射频芯片CC2530为中心，搭建了体系网络的硬件渠道，并在ZigBee2007协议栈基础上进行了体系软件流程规划。经过实验，体系组网灵敏，操控精度较高，对厂房的温湿度智能化、统一化的办理有着重要的实践意义。
关键词：ZigBee；CC2530；SMT；无线传感网；监控
电子电路外表拼装技能(SMT)是一种将片式拼装元器材装置在印制电路板的外表，经过回流焊等办法加以焊接拼装的电路装连技能，是现在电子拼装职业里最盛行的一种技能和工艺。跟着电子技能的前进，电子元器材逐步向小型化、精细化、多功用方向开展，元器材的精细程度的进步对电子拼装的环境要求的越来越严苛。出产环境不合适的温度和湿度不光会对电子元器材的拼装形成损害，而且还会影响SMt机器设备的正常运转，所以，对SMT厂房温度和湿度主动化的实时而精确的监测和操控，使厂房实时处在一个杰出的出产环境，对设备运转和SMT产品质量保证都有着严重的现实意义。
传统的SMT厂房的温湿度监测体系常常选用有线方法，其长处是牢靠安稳，显着的缺陷是布线困难，组网不灵敏，添加节点硬软件都要从头装备，而且可移动性差。针对上述传统有线的温湿度监控的缺陷和缺乏，本文规划了一种交融了ZigBee无线通讯技能和传感技能的温湿度监控体系则很好处理了这些问题，该体系装置安置的灵敏性高、装置费用低价、对厂房的监控体系进行从头安置时可移动性强。体系网络的自组织才能，大大添加了体系数据传输的牢靠性，这些特色十分合适厂房多节点温湿度环境监测和操控的需求。
1 体系的原理及构成
ZigBee作为一种依据IEEE 802．15．4规范的新式无线通讯技能，其首要特色是近距离、低复杂度、低功耗、低本钱、协议简略，和传感器网络交融就组建了ZigBee无线传感器网络，该网络具有以数据为中心、自组织、可快速布置等许多长处。
ZigBee协议层从底层到顶层别离为物理层(PHY)、媒体操控层(MLAC)、网络层(NWK)、使用层(APL)。其间MAC和PHY两层协议由IEEE802． 15．4规范界说，NWK和APL两层则由ZigBee联盟界说。ZigBee网络支撑多种拓扑结构，比方星型、树型和网状型结构，ZigBee网络节点一般依照功用分为三大类：和谐器节点、路由节点和终端节点。其间和谐器节点关于每个Zigbee网络具有唯一性，是整个网络的中心，其他的路由节点和终端节点作为子节点参加网络。
针对SMT厂房特色，需求监测的区域一般能够分为：出产区、器材区和低温存储区(冰箱)三部分。别离对应的不同的温湿度要求，详细信息如表1所示。
由于该体系面向SMT小型厂房规划，所以体系组网相对简略，数据的传输量也不大，因而选用只含有中心节点(和谐器)和终端节点的星型网络拓扑结构就能够满意本体系的规划，完结数据和信息的正常通讯。散布于上述监测区域的无线温湿度传感器节点，分为无线搜集节点和无线操控节点两类，搜集节点首要进行温度和湿度数据的搜集、开端处理，然后经过ZigBee协议将从传感器节点接纳的数据发送到和谐器节点；和谐器依据搜集成果和体系设定值进行比较决定是发动无线操控节点来操控各种温湿度调理设备的运转状况，到达调理厂房中温湿度的意图；和谐器节点自身还担任树立ZigBee网络，并发送和接纳指令，经过RS232串口与监测中心PC机进行数据通讯；监测中心PC机担任会集显现厂房各个监测区域的每个传感器节点搜集到的温湿度信息，整个SMT厂房的无线监控体系的结构如图1所示。
2 体系硬件规划
2．1 网络和谐器规划
网络和谐器作为无线传感网络的中心，完成网络无线搜集节点的数据的收发和处理，而且能够经过并经过无线操控节点操控温湿度调理设备。和谐器借助于RS232串口通讯将数据发送到监测中心的PC机，完成整个体系监测信息的可视性。本体系的网络和谐器由下列部分组成：CC2530通讯模块、天线模块、LCD液晶显现模块和电源模块等构成。CC2530通讯模块作为和谐器的中心部分，承担着接纳和存储传感器搜集节点发来数据的使命，而且能够对数据进行剖析处理，发送网络指令给无线操控节点，LCD显现网络节点作业状况；电源模块供给作业电压是3．3 V，为了保证和谐器以及体系作业的安稳性，选用3．3 V稳压电源对中心芯片供电。网络和谐器硬件结构图如图2所示。
2．2 无线节点规划
体系的无线节点由无线搜集节点和无线操控节点两大类，是本体系网络的根本结构单元，二者在体系中扮演的人物不同，结构也不相同。无线温湿度搜集节点由下列部分组成：数字式温湿度传感器SHT15和CC2530无线单片机，该单片机内部集成了2．4 GHz的射频收发器，而且契合IEEE802．15．4规范。传感器SHT15是经过I2C总线直接与CC2530单片机接口相连，其间I2C总线是由CC2530单片机I／O接口模仿而成，所以在规划上并没有额定添加专门的I2C总线操控器，在必定程度上削减了硬件本钱。当检测到温湿度信息时，CC2530对数据进行开端处理，为传输数据做好预备。然后经过LCD显现出来并经过天线发送给中心节点。CC2530模块存储和处理传来的数据，并与和谐器进行无线通讯，电源模块选用体积小、容量大的锂电池供电。传感器搜集节点结构如图3所示。
无线操控节点结构由以下几个部分构成：CC2530无线通讯模块、D／A数模转换器、功率扩大器和电磁继电器等构成。担任与和谐器之间通讯，且能够履行和谐器的发送的指令，操控节点被发动后，节点中的CC2530芯片接纳相应的和谐器指令进行PID运算和数字输出，然后经过D／A数模转换器，将数字信号转化为模仿信号，再经过功率放扩大器经过信号扩大，来操控电磁继电器作业状况，然后完成调理各种温湿度调理设备，以便及时调整厂房中全体或许部分的温湿度状况。无线操控节点结构如图4所示。
本体系操控部分的继电器驱动电路如图5所示，单片机输出的凹凸电平给驱动电路供给操控信号，经过驱动电路操控电磁继电器中的电磁线圈的闭合和断开。当单片机输出高电平信号到三极管的基极，三极管处于饱和状况导通状况，此刻继电器中的线圈闭合，外电路被接通，与之接通的机器设备运转；当单片机信号输出低电平，继电器线圈断开，机器设备中止运转。
2．2．1 CC2530芯片
TI公司推出的Zigbee芯片CC2530，作业在2．4 GHz频段，契合IEEE 802．15．4规范，片内集成业界规范的增强型8051内核处理器和RF收发器，支撑代码预取功用；256 kFlash大容量的程序存储器，支撑Zigbee2007pro协议，具有8k数据存储器。片内还集成5通道DMA；MAC定时器；1个16位、2个8位一般定时器；电源办理与片内温度传感器；32 kHz休眠定时器；看门狗；2个强壮的USART接口，支撑多种串行协议12位A／D转换器等智能外设。该芯片供电电压区间2～3．6 V，具有3种电源办理形式：主动形式、休眠形式和中止形式，3种形式对应的电流强度别离为0．2 mA、1μA和0．4μA，因而，该芯片具有超低功耗的杰出特色，传输距离大于75 m，最高数据传输速度率到达250 kbps。别的，CC2530从休眠形式转换到主动形式时刻极短、呼应速度极快，这些特性使得该芯片十分合适在无线传感器网络中的使用。
2．2．2 温湿度传感器SHT15
SHT15是瑞士SENSIRION公司推出的一款高度集成的数字式的温湿度传感器，具有全量程标定的数字输出，别的，搜集数据信息经过内部校准之后输出，大大削减了差错，进步了信息搜集的精确度，该传感器含有一个14位的A／D转换器，能完成温度最高14bit和湿度12bit的丈量；一个串行接口电路。SHT15的供电电压为2．4～5．5 V，均匀功耗温度丈量规模：-40～+123．8℃，湿度丈量规模：0～100％RH，温度测
量精度：±0．3℃，湿度丈量精度：±2．0％RH。
SHT15数字式传感器直接与CC2530经过I2C串行总线相连，具有循环冗余码校验(CRC)数据传输校验的功用，这些特色添加了对传感器接口开发的方便性与牢靠性。该传感器具有呼应时刻快、精度高、抗干扰才能强、功耗低一级特色，当SHT15丈量和通讯完结后，会主动使能进入睡觉形式。
3 体系软件规划
体系的软件规划意图是能够很好的结合硬件设备完本钱体系的功用。本体系使用的协议栈是TI公司推出的与CC2530芯片配套的Z—STACK 2007版别。本体系需求进行三部分的软件流程规划，别离是传感器搜集节点、和谐器和无线操控节点的软件流程规划。
和谐器首要担任网络的办理、会聚搜集的数据等，传感器测控数据经过网络无线节点的操控节点来操控是否发动变频调速操控空调、加湿机、除湿机和风机等机器设备。本体系选用星形拓扑网络完成通讯，网络装备一个网络和谐器和多个传感器节点，在网络中所有的传感器节点只与和谐器通讯。ZigBee网络由和谐器建议而且树立。和谐器首要进行信道扫描，选用一个其闲暇的信道，规则一些相应的网络参数，和谐器发动后，时刻监听空中无线信号，假如终端节点申请参加网络时，宣布申请参加信号，并供给正确的认证信息，即可参加网络；假如监听到体系传感器搜集节点发送的温湿度数据信息，和谐器接纳信息，并与体系设定值进行比较，假如温度和湿度超出了规则的上下限，和谐器及时宣布相应的指令给无线操控节点。和谐器的软件流程如图6所示。
传感器搜集节点担任搜集监测区域的温度和湿度数据，并发送给和谐器，而且还能够接纳来自和谐器的相关指令。节点上电后首要进行硬件和协议栈的初始化，查找附近的网络，而且发送申请参加信息，等候网络和谐器承认，信息承认经往后，节点即可成功参加网络，然后进入休眠的节电形式。当有数据传输恳求时，节点立即由休眠形式进入作业形式，进行温湿度信息搜集、预处理并发送。传感器搜集节点软件流程图如图7所示。
操控节点在整个体系中的人物是与网络和谐器进行通讯，接纳并履行相应和谐器指令，操控节点发动后，节点中心芯片进行PID运算和数字信号输出，然后经过一系列的信号转化，然后操控电磁继电器作业状况，然后完成调理如变频调速器、风机、加湿器和除湿器等设备。软件流程图如图8所示。
体系上位机的体系监控软件选用Visual Studio 2010渠道、C++言语开发，该软件衔接Access数据库来完成存储传感器节点搜集到的温湿度数据，别的，该软件还对体系的整个ZigBee网络组网信息进行监控等等。软件能够对搜集的时刻距离、搜集的监测区域进行设置。串口信息装备如下：波特率为19 200，数据比特8bit，无奇偶校检位。
4 实验成果和剖析
为了验证体系的实践使用功能，选取一块监控区域作为实验目标。首要，将该体系安置于SMT厂房的一个无尘密闭出产车间中进行实验。在实验过程中，敞开车间的空气循环机，促进空气的流转和循环，尽量使得车间内空气的温度和湿度均匀散布。无线温湿度搜集节点均匀的散布于车间的不同方位，防止搜集节点会集放置带来的部分差错，以便能够精确的监测温湿度散布的信息。体系的操控节点衔接的有变频调速器的空调能够调理温度，有增湿机和除湿机，能够进行湿度调理。体系悉数装置结束，开端实验。体系上电初始化，网络树立，体系开端作业，咱们经过设定一系列不同的的温度规范和湿度规范，等候体系的调控作业完结后，将此刻车间实践的温湿度信息记录下来，而且和设定的规范值进行比较，成果如表2所示。
从上表成果咱们能够看出，在经过7组实验和测验，该体系实验的稳态时的温度与设定温度值的差错操控在±2．0℃以内；湿度的操控差错在±3．5％RH以内。这样的操控精度到达了SMT出产车间的对温湿度的要求。精度差错造的原因首要是在车间空气中的温度和湿度散布不均匀，形成不同方位的搜集节点搜集的数据有差异，然后形成中心节点剖析数据时存在差错，别的，车间不可能彻底密闭，与外界的绝热才能有限，无法根绝空气和热量与外界进行交流，然后在必定程度上也影响了体系的稳态。
5 定论
本体系使用较高精度的数字式温湿度传感器SHT15对监控目标进行温湿度搜集，保证了信息来历的精确性；星形传感器网络树立，大大添加了监测区域的有用面积，在必定程度上削减了由于区域约束和搜集节点数量约束而带来了的差错；选用Zigbee无线技能也保证了传感器终端节点、操控节点与和谐器节点通讯的牢靠性和经济性。该体系使用搜集的信息经过操控节点对温度和湿度进行快速而有用的操控，大大削减传统了手动调理的滞后性。经多组实验，操控精度到达了SMT厂房的测控要求。本体系具有结构简略、功耗低、组网灵敏，移动性强等特色，对中小型工业厂房的监测和操控范畴有着很好的使用远景。
