淺談基于ZigBee的精鑄車間溫濕度檢測系統

潘繼民 趙金湘 張陽

【摘要】環境溫濕度對精密鑄造的鑄件質量有較大的影響。本文以AM2301作溫濕度傳感器，采用ZigBee無線網絡技術和LED顯示屏控制技術，設計了一套精密鑄造車間多區域溫濕度監控系統，介紹了系統的軟硬件設計實施方案。

【關鍵詞】精密鑄造；ZigBee；溫濕度；LED屏

一、引言

精密鑄造是一種特種鑄造方法，它能獲得較準確的形狀和較高的鑄造精度，常用于鑄造形狀復雜而又精密的零件。精密鑄造工藝流程主要包括壓蠟、制殼、澆注、后處理、檢驗等工序，其中多數工序尤其是制殼工序對車間溫濕度環境有著極為嚴格的要求。一般要求環境控制在溫度20℃～27℃，濕度40%RH～65%RH，并且最好是相對恒溫恒濕。溫濕度過高或過低都會對鑄件質量產生不利的影響。因此做好鑄造車間的溫濕度監控及記錄，對于提高鑄件質量，完善質量管理體系顯得尤為重要。本文設計了一套基于ZigBee無線通信的鑄造車間溫濕度檢測系統，使用多組溫濕度傳感器采集車間各區域的溫濕度參數，以LED顯示屏實時顯示，為生產管理人員做好質量管控提供有效手段。

二、系統總體設計

（一）ZigBee技術簡介

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的局域網協議，是一種距離短、功耗低的無線通信技術。其特點是成本低、功耗低、低數據速率、高容量、可自動組網。由于ZigBee無線網絡的這些優點，可實現鑄造車間有多個溫濕度采集節點的靈活布置，各個節點會搜索不同路徑進行數據傳輸，并能很好地適應車間的復雜環境，保證數據的可靠傳輸。此外，采用無線通信方式也易于后期的二次改造。

（二）系統構成

系統由傳感器終端節點、ZigBee路由器節點、ZigBee協調器、ARM微處理器、LED顯示屏等幾部分組成，其構成如圖1所示。傳感器終端節點是整個ZigBee無線網絡的基本單元，其作用是采集所在區域的溫濕度參數并進行預處理，然后將處理后的數據通過ZigBee網絡傳輸給路由器節點；路由器節點既有無線線路連接功能，又起中繼器功能，通過它將各傳感器節點采集的溫濕度數據上傳于協調器；協調器最終將以它為中心的網狀數據匯總并通過串口傳輸給中心ARM微處理器；ARM微處理器負責各傳感器數據的處理及存儲，并實現LED屏的顯示控制。

三、系統硬件設計

（一）終端節點設計

終端節點由溫濕度傳感器、ZigBee無線通信模塊和電源模塊組成。溫濕度傳感器選用AM2301濕敏電容數字溫濕度模塊，它包括一個電容式感濕元件和一個高精度測溫元件，同時內置一個高性能8位單片機，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合型傳感器。該傳感器具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優點。傳感器為3引腳單總線接口，可以很方便地與其他微處理器的I/O端口相連。

ZigBee無線通信模塊選用CC2530芯片。CC2530是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決方案。它整合了RF收發器、增強型8051CPU、系統內可編程閃存、8KBRAM和許多其他強大的功能，只需一個晶振和極少的外接元件即可滿足網狀網絡系統需要。其RF收發器適應2.4-GHzIEEE802.15.4的無線通信，且具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，RF內核控制模擬無線模塊，它提供了MCU和無線設備之間的一個接口，可以發出命令，讀取狀態，自動操作和確定無線設備事件的順序。

（二）LED顯示屏模組選型

LED顯示屏選用室內雙基色模組，模組由紅綠雙色LED管組成64列×16行的發光點陣，掃描方式為1/16掃。行驅動電路由譯碼器74HC138和功率驅動芯片4953組成，來自ARM的4位行編碼信號經兩片74HC138組合譯碼后輸出16路行選通信號，經功率管4953芯片驅動后，分時點亮16個掃描行的LED燈；列驅動電路由2組8位串行移位寄存器74HC595組成，每組用8片74HC595級聯，形成8×8共64路列驅動信號，分別驅動紅、綠各64列LED發光管。來自ARM處理器的紅綠數據信號Dr和Dg，經64個CLK移位脈沖移位后，鎖存與每組的8個串行移位寄存器74HC595中，在行掃描信號的配合下，點亮對應的LED發光管，從而在LED屏上顯示出要顯示的信息。

（三）匯總模塊設計

匯總模塊以AMR處理器為中心，通過協調器節點匯聚各終端傳感器的數據，以LED屏為監視器顯示車間各區域的溫濕度信息。ARM處理器選用意法半導體公司的STM32F107RBT6芯片，它采用一個標準的Cortex-M3微控制器結構，是意法半導體推出的STM32互連型系列微控制器中的一款性能較強的產品。其PA0～PA7作為發送LED屏顯示數據的端口，PB3～PB9作為LED屏的掃描控制端口，用以控制屏幕行選和亮滅。串口UART4用來與協調器的CC2530進行通信，其中PC11（UART4_R）和PC10（UART4_T）分別與CC2530的P0_3（USART_TX）和P0_2（USART_RX）相連。

四、系統軟件設計

系統軟件采用模塊化設計，主要包括傳感器終端節點模塊、協調器節點模塊和顯示監控模塊三部分。

終端節點模塊的程序包括：初始化終端設備；查找并申請加入ZigBee網絡；讀取AM2301的溫濕度數據；將數據上報給協調器。系統設定的采樣周期為一秒，每秒將數據上報一次。

協調器節點模塊的程序包括：CC2530以協調器方式啟動并建立ZigBee無線網絡；等待終端節點的加入；接收終端節點的數據并上傳與顯示監控中心。

顯示監控模塊的程序包括：上電后完成STM32F107的系統時鐘、串口、顯示控制IO端口等設備的初始化；取得和協調器CC2530的通信；讀取由協調器匯總的各傳感器節點溫濕度數據；完成數據的處理及存儲；更新顯示緩存數據并通過動態掃描完成LED屏的顯示刷新。

五、結語

系統采用ZigBee無線傳輸技術、傳感器技術和LED顯示屏技術，實現了對精密鑄造車間的多區域溫濕度采集和大屏幕監控顯示，對提高鑄件的質量、加強鑄造車間數字化管理有實際意義。系統結構簡單、節點擴充方便、布局靈活、顯示直觀醒目，所采用的方案對其他生產車間的環境檢測和數字化改造均有實用價值。系統制作調試完成后，進行了試運行，溫濕度參數采集準確，數據傳輸可靠，LED屏監控顯示效果良好。

參考文獻

[1]吳志楓.精密鑄造車間溫濕度影響因素研究[D].武漢：華中科技大學，2016.

[2]蔡利婷，陳平華，羅彬.基于CC2530的ZigBee數據采集系統設計[J].計算機技術與發展，2012，22（11）：197～200.

[3]王永虹，徐煒，郝立平.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.