Zigbee是一種能滿足低功耗、低復雜度、低成本的新的無線通信技術，文中針對Zigbee的技術特點和SMT廠房的特殊的環境要求，提出了一種基于Zigbee無線傳感網絡的溫濕度監控系統。本系統以射頻芯片CC2530為核心，搭建了系統網絡的硬件平臺，并在ZigBee2007協議棧基礎上進行了系統軟件流程設計。經過試驗，系統組網靈活，控制精度較高，對廠房的溫濕度智能化、統一化的管理有著重要的實際意義。
電子電路表面組裝技術(SMT)是一種將片式組裝元器件安裝在印制電路板的表面，通過回流焊等方法加以焊接組裝的電路裝連技術，是目前電子組裝行業里最流行的一種技術和工藝。隨著電子技術的進步，電子元器件逐漸向小型化、精密化、多功能方向發展，元器件的精密程度的提高對電子組裝的環境要求的越來越苛刻。生產環境不合適的溫度和濕度不但會對電子元器件的組裝造成危害，而且還會影響SMt機器設備的正常運行，所以，對SMT廠房溫度和濕度自動化的實時而準確的監測和控制，使廠房實時處在一個良好的生產環境，對設備運行和SMT產品質量保障都有著重大的現實意義。
傳統的SMT廠房的溫濕度監測系統常常采用有線方式，其優點是可靠穩定，明顯的缺點是布線困難，組網不靈活，增加節點硬軟件都要重新配置，而且可移動性差。針對上述傳統有線的溫濕度監控的缺點和不足，本文設計了一種融合了ZigBee無線通信技術和傳感技術的溫濕度監控系統則很好解決了這些問題，該系統安裝布置的靈活性高、安裝費用低廉、對廠房的監控系統進行重新布置時可移動性強。系統網絡的自組織能力，大大增加了系統數據傳輸的可靠性，這些特點非常適合廠房多節點溫濕度環境監測和控制的需求。
1系統的原理及構成
ZigBee作為一種基于IEEE 802.15.4標準的新型無線通信技術，其主要特點是近距離、低復雜度、低功耗、低成本、協議簡單，和傳感器網絡融合就組建了ZigBee無線傳感器網絡，該網絡具有以數據為中心、自組織、可快速部署等諸多優點。
ZigBee協議層從底層到頂層分別為物理層(PHY)、媒體控制層(MLAC)、網絡層(NWK)、應用層(APL)。其中MAC和PHY兩層協議由IEEE802.15.4標準定義，NWK和APL兩層則由ZigBee聯盟定義。ZigBee網絡支持多種拓撲結構，比如星型、樹型和網狀型結構，ZigBee網絡節點通常按照功能分為三大類：協調器節點、路由節點和終端節點。其中協調器節點對于每個Zigbee網絡具有唯一性，是整個網絡的核心，其他的路由節點和終端節點作為子節點加入網絡。
針對SMT廠房特點，需要監測的區域通常可以分為：生產區、器件區和低溫存儲區(冰箱)三部分。分別對應的不同的溫濕度要求。
由于該系統面向SMT小型廠房設計，所以系統組網相對簡單，數據的傳輸量也不大，因此采用只含有中心節點(協調器)和終端節點的星型網絡拓撲結構就能夠滿足本系統的設計，完成數據和信息的正常通信。分布于上述監測區域的無線溫濕度傳感器節點，分為無線采集節點和無線控制節點兩類，采集節點首先進行溫度和濕度數據的采集、初步處理，然后通過ZigBee協議將從傳感器節點接收的數據發送到協調器節點;協調器根據采集結果和系統設定值進行比較決定是啟動無線控制節點來控制各種溫濕度調節設備的運行狀態，達到調節廠房中溫濕度的目的;協調器節點本身還負責建立ZigBee網絡，并發送和接收指令，通過RS232串口與監測中心PC機進行數據通信;監測中心PC機負責集中顯示廠房各個監測區域的每個傳感器節點采集到的溫濕度信息。
2系統硬件設計
2.1網絡協調器設計
網絡協調器作為無線傳感網絡的核心，實現網絡無線采集節點的數據的收發和處理，并且能夠通過并通過無線控制節點控制溫濕度調節設備。協調器借助于RS232串口通信將數據發送到監測中心的PC機，實現整個系統監測信息的可視性。本系統的網絡協調器由下列部分組成：CC2530通信模塊、天線模塊、LCD液晶顯示模塊和電源模塊等構成。CC2530通信模塊作為協調器的核心部分，承擔著接收和存儲傳感器采集節點發來數據的任務，并且能夠對數據進行分析處理，發送網絡指令給無線控制節點，LCD顯示網絡節點工作狀態;電源模塊提供工作電壓是3.3 V，為了確保協調器以及系統工作的穩定性，采用3.3 V穩壓電源對核心芯片供電。
2.2無線節點設計
系統的無線節點由無線采集節點和無線控制節點兩大類，是本系統網絡的基本結構單元，二者在系統中扮演的角色不同，結構也不相同。無線溫濕度采集節點由下列部分組成：數字式溫濕度傳感器SHT15和CC2530無線單片機，該單片機內部集成了2.4 GHz的射頻收發器，并且符合IEEE802.15.4標準。傳感器SHT15是通過I2C總線直接與CC2530單片機接口相連，其中I2C總線是由CC2530單片機I/O接口模擬而成，所以在設計上并沒有額外增加專門的I2C總線控制器，在一定程度上減少了硬件成本。當檢測到溫濕度信息時，CC2530對數據進行初步處理，為傳輸數據做好準備。然后通過LCD顯示出來并通過天線發送給中心節點。CC2530模塊存儲和處理傳來的數據，并與協調器進行無線通信，電源模塊采用體積小、容量大的鋰電池供電。
無線控制節點結構由以下幾個部分構成：CC2530無線通信模塊、D/A數模轉換器、功率放大器和電磁繼電器等構成。負責與協調器之間通信，且能夠執行協調器的發送的命令，控制節點被啟動后，節點中的CC2530芯片接收相應的協調器命令進行PID運算和數字輸出，然后通過D/A數模轉換器，將數字信號轉化為模擬信號，再通過功率放放大器經過信號放大，來控制電磁繼電器工作狀態，從而實現調節各種溫濕度調節設備，以便及時調整廠房中整體或者局部的溫濕度狀態。
本系統控制部分的繼電器驅動電路如圖5所示，單片機輸出的高低電平給驅動電路提供控制信號，通過驅動電路控制電磁繼電器中的電磁線圈的閉合和斷開。當單片機輸出高電平信號到三極管的基極，三極管處于飽和狀態導通狀態，此時繼電器中的線圈閉合，外電路被接通，與之接通的機器設備運行;當單片機信號輸出低電平，繼電器線圈斷開，機器設備停止運行。
2.2.1 CC2530芯片
TI公司推出的Zigbee芯片CC2530，工作在2.4 GHz頻段，符合IEEE 802.15.4規范，片內集成業界標準的增強型8051內核處理器和RF收發器，支持代碼預取功能;256 kFlash大容量的程序存儲器，支持Zigbee2007pro協議，擁有8k數據存儲器。片內還集成5通道DMA;MAC定時器;1個16位、2個8位普通定時器;電源管理與片內溫度傳感器;32 kHz休眠定時器;看門狗;2個強大的USART接口，支持多種串行協議12位A/D轉換器等智能外設。該芯片供電電壓區間2～3.6 V，具有3種電源管理模式：主動模式、休眠模式和中斷模式，3種模式對應的電流強度分別為0.2 mA、1μA和0.4μA，因此，該芯片具有超低功耗的突出特點，傳輸距離大于75 m，最高數據傳輸速度率達到250 kbps。另外，CC2530從休眠模式轉換到主動模式時間極短、響應速度極快，這些特性使得該芯片非常適合在無線傳感器網絡中的應用。
2.2.2溫濕度傳感器SHT15
SHT15是瑞士SENSIRION公司推出的一款高度集成的數字式的溫濕度傳感器，具有全量程標定的數字輸出，另外，采集數據信息經過內部校準之后輸出，大大減少了誤差，提高了信息采集的精確度，該傳感器含有一個14位的A/D轉換器，能實現溫度最高14bit和濕度12bit的測量;一個串行接口電路。SHT15的供電電壓為2.4～5.5 V，平均功耗溫度測量范圍：-40～+123.8℃，濕度測量范圍：0～100%RH，溫度測量精度：±0.3℃，濕度測量精度：±2.0%RH。
SHT15數字式傳感器直接與CC2530通過I2C串行總線相連，具有循環冗余碼校驗(CRC)數據傳輸校驗的功能，這些特點增加了對傳感器接口開發的方便性與可靠性。該傳感器具有響應時間快、精度高、抗干擾能力強、功耗低等特點，當SHT15測量和通信完成后，會自動使能進入睡眠模式。
3系統軟件設計
系統的軟件設計目的是能夠很好的結合硬件設備實現本系統的功能。本系統利用的協議棧是TI公司推出的與CC2530芯片配套的Z—STACK 2007版本。本系統需要進行三部分的軟件流程設計，分別是傳感器采集節點、協調器和無線控制節點的軟件流程設計。
協調器主要負責網絡的管理、匯聚采集的數據等，傳感器測控數據通過網絡無線節點的控制節點來控制是否啟動變頻調速控制空調、加濕機、除濕機和風機等機器設備。本系統采用星形拓撲網絡實現通信，網絡配置一個網絡協調器和多個傳感器節點，在網絡中所有的傳感器節點只與協調器通信。ZigBee網絡由協調器發起并且建立。協調器首先進行信道掃描，采用一個其空閑的信道，規定一些相應的網絡參數，協調器啟動后，時刻監聽空中無線信號，如果終端節點申請加入網絡時，發出申請加入信號，并提供正確的認證信息，即可加入網絡;如果監聽到系統傳感器采集節點發送的溫濕度數據信息，協調器接收信息，并與系統設定值進行比較，如果溫度和濕度超出了規定的上下限，協調器及時發出相應的命令給無線控制節點。
傳感器采集節點負責采集監測區域的溫度和濕度數據，并發送給協調器，而且還能夠接收來自協調器的相關命令。節點上電后首先進行硬件和協議棧的初始化，搜索鄰近的網絡，并且發送申請加入信息，等待網絡協調器確認，信息確認通過后，節點即可成功加入網絡，然后進入休眠的節電模式。當有數據傳輸請求時，節點立即由休眠模式進入工作模式，進行溫濕度信息采集、預處理并發送。
控制節點在整個系統中的角色是與網絡協調器進行通信，接收并執行相應協調器命令，控制節點啟動后，節點核心芯片進行PID運算和數字信號輸出，然后通過一系列的信號轉化，然后控制電磁繼電器工作狀態，從而實現調節如變頻調速器、風機、加濕器和除濕器等設備。
系統上位機的系統監控軟件采用Visual Studio 2010平臺、C++語言開發，該軟件連接Access數據庫來實現存儲傳感器節點采集到的溫濕度數據，另外，該軟件還對系統的整個ZigBee網絡組網信息進行監控等等。軟件可以對采集的時間間隔、采集的監測區域進行設置。串口信息配置如下：波特率為19 200，數據比特8bit，無奇偶校檢位。
4實驗結果和分析
為了驗證系統的實際應用性能，選取一塊監控區域作為實驗對象。首先，將該系統安置于SMT廠房的一個無塵密閉生產車間中進行試驗。在試驗過程中，開啟車間的空氣循環機，促進空氣的流通和循環，盡量使得車間內空氣的溫度和濕度均勻分布。無線溫濕度采集節點均勻的分布于車間的不同位置，避免采集節點集中放置帶來的局部誤差，以便能夠準確的監測溫濕度分布的信息。系統的控制節點連接的有變頻調速器的空調可以調節溫度，有增濕機和除濕機，可以進行濕度調節。系統全部安裝完畢，開始試驗。系統上電初始化，網絡建立，系統開始工作，我們通過設定一系列不同的的溫度標準和濕度標準，等待系統的調控工作完成后，將此時車間實際的溫濕度信息記錄下來，并且和設定的標準值進行比較。
從上表結果我們可以看出，在經過7組試驗和測試，該系統實驗的穩態時的溫度與設定溫度值的誤差控制在±2.0℃以內;濕度的控制誤差在±3.5%RH以內。這樣的控制精度達到了SMT生產車間的對溫濕度的要求。精度誤差造的原因主要是在車間空氣中的溫度和濕度分布不均勻，造成不同位置的采集節點收集的數據有差異，從而造成中心節點分析數據時存在誤差，另外，車間不可能完全密閉，與外界的絕熱能力有限，無法杜絕空氣和熱量與外界進行交換，從而在一定程度上也影響了系統的穩態。
5結論
本系統利用較高精度的數字式溫濕度傳感器SHT15對監控對象進行溫濕度采集，確保了信息來源的準確性;星形傳感器網絡建立，大大增加了監測區域的有效面積，在一定程度上減少了因為區域限制和采集節點數量限制而帶來了的誤差;采用Zigbee無線技術也確保了傳感器終端節點、控制節點與協調器節點通信的可靠性和經濟性。該系統利用采集的信息通過控制節點對溫度和濕度進行快速而有效的控制，大大減少傳統了手動調節的滯后性。經多組試驗，控制精度達到了SMT廠房的測控要求。本系統具有結構簡單、功耗低、組網靈活，移動性強等特點，對中小型工業廠房的監測和控制領域有著很好的應用前景。
