在集裝箱運(yùn)輸中，對(duì)冷藏集裝箱可靠性要求很高，除進(jìn)行強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)外，還需按要求完成熱工性能實(shí)驗(yàn)。熱工性能實(shí)驗(yàn)中需要測(cè)量集裝箱的氣密性，漏熱性，制冷性等。
為提高測(cè)量的自動(dòng)化程度，控制測(cè)量過程的人為因素，需要設(shè)計(jì)一套全自動(dòng)的氣密性試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)裝置需要能夠精確地測(cè)量集裝箱的氣壓，并且通過ZigBee數(shù)傳模塊將測(cè)量值發(fā)送到接收模塊，由接收模塊控制流量調(diào)節(jié)閥開度，調(diào)節(jié)供氣量，保持箱內(nèi)和環(huán)境的壓差。
本文著重介紹氣壓測(cè)量及無線ZigBee數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。在無線傳輸方面，由于ZigBee模塊具有成本低、功耗低、可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，因此ZigBee模塊選用了Z-Stack無線通信協(xié)議，以此完成ZigBee模塊設(shè)計(jì)，程序編制及調(diào)試。
1 無線氣壓測(cè)量模塊總體設(shè)計(jì)
無線氣壓測(cè)量模塊包含氣壓測(cè)量及無線發(fā)送，無線接收及顯示兩個(gè)單元。氣壓測(cè)量及無線發(fā)送單元主要負(fù)責(zé)氣壓的ZigBee數(shù)傳采集及發(fā)送。控制器選用TI公司的CC2530芯片，氣壓測(cè)量選用BMP085替代模塊BMP180氣壓模塊。而無線接收及顯示單元主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)接收及轉(zhuǎn)換，并通過RS232轉(zhuǎn)USB串口通信連接上位機(jī)，在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示氣壓的數(shù)值。發(fā)送和接收單元之間通過ZigBee模塊點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式。
圖1 無線氣壓測(cè)量模塊總體設(shè)計(jì)
2 無線氣壓測(cè)量模塊的硬件設(shè)計(jì)
為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)電路，提高ZigBee模塊可靠性，ZigBee模塊的氣壓測(cè)量及無線發(fā)送單元，無線接收及顯示單元采用CC2530芯片設(shè)計(jì)的相同核心板，而根據(jù)功能不同設(shè)計(jì)不同的功能底板。核心板硬件電路相同，但下載不同的程序，完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)功能。
2.1 氣壓測(cè)量及無線發(fā)送單元硬件設(shè)計(jì)
氣壓測(cè)量及無線發(fā)送單元由ZigBee無線模塊無線傳輸核心板，測(cè)量及無線發(fā)送單元功能底板，以及氣壓測(cè)量傳感器模塊組成。
使用中，氣壓測(cè)量傳感器模塊放置在冷藏集裝箱內(nèi)，功能底板與傳感器通過杜邦線連接。而核心板通過12針及14針的標(biāo)準(zhǔn)2.54 排針接插件與功能底板相連。測(cè)量及無線發(fā)送單元功能底板主要包含電源供給，程序下載及調(diào)試接口，按鍵及LED報(bào)警指示，傳感器接口等功能。由于氣壓測(cè)量傳感器模塊BMP180采用I2C接口，而CC2530沒有硬件I2C接口，因此使用P0.0、P0.1模擬I2C的數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL，采用軟件模擬I2C的方式讀寫傳感器。
2.1.1 CC2530 ZigBeem模塊核心板硬件設(shè)計(jì)
ZigBee無線傳輸核心板主芯片CC2530采用標(biāo)準(zhǔn)8051處理器，滿足2.4GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本，低功耗的要求。ZigBee無線傳輸核心板使用2.4G全向SMA天線，不僅設(shè)計(jì)可靠，而且重量輕、體積小，傳輸距離200米以上，完全滿足氣密性試驗(yàn)的性能要求。核心板包括以下幾個(gè)部分：CC2530片上系統(tǒng)，32MHz系統(tǒng)時(shí)鐘，SMA天線，12針及14針接插件接口。
2.1.2 ZigBee數(shù)據(jù)采集單元功能底板硬件設(shè)計(jì)
功能底板主要設(shè)置電源供應(yīng)，JTAG程序下載及調(diào)試接口，故障報(bào)警指示，傳感器測(cè)量接口。調(diào)試過程中可以通過JTAG調(diào)試接口供給電源，實(shí)際測(cè)量中使用一節(jié)7號(hào)3.7V電池供電。由于CC2530供電電壓范圍2-3.6V，因此通過電池供應(yīng)需要經(jīng)過CAT6219-330進(jìn)行線性穩(wěn)壓。功能模塊中設(shè)置了無線通信故障、傳感器測(cè)量故障等報(bào)警，報(bào)警通過相應(yīng)的指示燈指示。BMP180傳感器測(cè)量接口使用5針排針與杜邦線連接方式，包含模塊電源線，I2C通信上拉電源線，數(shù)據(jù)線，時(shí)鐘線,以及地線。
圖2 ZigBee 無線傳輸核心板原理圖
2.1.3 氣壓測(cè)量傳感器模塊硬件設(shè)計(jì)
氣壓測(cè)量傳感器模塊選用BOSCH公司的BMP180傳感器模塊。BMP180采用超薄封裝，通過I2C總線直接與各種微處理器相連，模塊中I2C總線使用4.7k的上拉電阻。BMP180傳感器模塊的特點(diǎn)如下：.低功耗：在標(biāo)準(zhǔn)模式每秒采樣一次的情況下耗電5μA；.高精度：低功耗模式下，分辨率為6Pa，超高分辨率模式下，分辨率為2Pa；.含有溫度輸出，壓力測(cè)量的范圍：30000~110000Pa，溫度和壓力數(shù)據(jù)由BMP180的E2PROM中的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)補(bǔ)償。
2.2 無線接收及顯示單元硬件設(shè)計(jì)
無線接收及顯示單元由ZigBee模塊無線傳輸核心板和無線接收及顯示功能底板組成。該單元核心板與發(fā)送單元設(shè)計(jì)相同，接收單元功能底板除包含與發(fā)送單元功能底板相同的電源供給，程序下載及調(diào)試接口，按鍵及LED報(bào)警指示外，還設(shè)置了RS232轉(zhuǎn)USB接口，用以連接上位機(jī)。
RS232轉(zhuǎn)USB接口采用Prolific公司的PL2303芯片完成通信任務(wù)，接口不但避免了繁瑣的USB協(xié)議，而且具有即插即用的特
圖3 RS232 轉(zhuǎn)USB 接口原理圖
3 Zigbee模塊無線氣壓測(cè)量模塊的軟件總體設(shè)計(jì)
軟件在IAR7.6.0 IDE環(huán)境下編制，下載、調(diào)試便利。無線通信程序采用簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸協(xié)議，使用由TI提供的CC2530 BasicRF例程編制。軟件的整體設(shè)計(jì)為：在發(fā)送單元軟件中，加入傳感器測(cè)量程序進(jìn)行氣壓測(cè)量，定義通信數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)格式，將測(cè)取的數(shù)據(jù)內(nèi)容通過無線傳輸發(fā)送至接收單元；接收單元?jiǎng)t輪詢接收完畢標(biāo)志，接收完畢后，通過USB串口通信，將接收的數(shù)值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)實(shí)時(shí)顯示。
3.1 氣壓模塊測(cè)量軟件設(shè)計(jì)
BMP180模塊氣壓測(cè)量采用軟件模擬I2C讀寫E2PROM。I2C總線采用7位地址方式加1位讀或?qū)懶盘?hào)位，在傳送數(shù)據(jù)過程中有開始、結(jié)束和應(yīng)答三種類型信號(hào)，通過軟件進(jìn)行模擬，建立專門I2C通信處理頭文件，包括字節(jié)讀寫等功能。模擬I2C時(shí)，需要注意CC2530在每次讀寫都要通過PxDIR寄存器設(shè)置IO口的輸入或輸出的方向。度數(shù)據(jù)，然后再在0xF4地址中寫入0x34+Oss<<6啟動(dòng)壓力測(cè)量。其中Oss是取樣比的控制信號(hào)，程序中取為0，每次讀取壓力信號(hào)測(cè)取1次。在延時(shí)4.5s后讀取非補(bǔ)償?shù)膲毫?shù)據(jù)，而后根據(jù)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，計(jì)算溫度和壓力值。
圖4 I2C 時(shí)序圖
3.2 ZigBee 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線傳輸軟件設(shè)計(jì)
ZigBee模塊無線傳輸一次可以傳輸最大103字節(jié)的數(shù)據(jù)，大于程序的需求，溫度和壓力數(shù)據(jù)在一個(gè)數(shù)據(jù)包中傳輸。ZigBee模塊無線傳輸需要設(shè)定參數(shù)包括：通道號(hào)（CHANNAL_NUM），網(wǎng)絡(luò)ID（PAN_ID），接收單元地址（RX_ADDR），發(fā)送單元地址（TX_ADDR）。收發(fā)程序中通道號(hào)和網(wǎng)絡(luò)ID需要設(shè)置一致。程序使用宏定義設(shè)置參數(shù)。
#define PAN_ID 0x2007#define TX_ADDR 0x2520#define RX_ADDR 0xBEEF#define CHANNAL_NUM 0x0C使用結(jié)構(gòu)體定義傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包格式，設(shè)置壓力和溫度ID號(hào)，便于根據(jù)ID判別傳輸錯(cuò)誤情況，點(diǎn)亮LED燈指示傳輸錯(cuò)誤。
Typedef struct {uint32 PackSeqNum; //Pack Sequence Numberuint8 pID; //Pressure IDuint8 Ppadding[6];uint8 tID; //Pressure IDuint8 Tpadding[3];} DataPacket_t;接收單元接收到數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包的序列號(hào)是否與預(yù)期一致，并檢測(cè)ID正確后，發(fā)送接收應(yīng)答信息，根據(jù)序列號(hào)計(jì)算丟包數(shù)量，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。串口通信參數(shù)設(shè)置：8位數(shù)據(jù)傳輸，無奇偶校驗(yàn)位，1位停止位，波特率115200bps。數(shù)據(jù)使用ASCII編碼傳輸方式進(jìn)行傳輸。
4 測(cè)量結(jié)果
完成系統(tǒng)程序編制，調(diào)試成功后，進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)量。收發(fā)單元距離50米的條件下，測(cè)試了環(huán)境的大氣壓力，幾次測(cè)量結(jié)果如下圖：
圖5 測(cè)量壓力、溫度及信號(hào)強(qiáng)度顯示
環(huán)境平均壓力為：101387.9Pa，數(shù)字氣壓計(jì)的讀數(shù)為101389Pa，誤差為1.1Pa，滿足設(shè)計(jì)精度。模塊的主要目的是測(cè)定氣壓，完成氣密性試驗(yàn)裝置，溫度數(shù)值在模塊中僅作參考。另外測(cè)取了無線傳輸信號(hào)強(qiáng)度。在50米距離下傳輸數(shù)據(jù)，信號(hào)強(qiáng)度約為-78dbm，距離增加，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨之增加。以2000個(gè)數(shù)據(jù)包為一組，測(cè)取五組，數(shù)據(jù)收發(fā)丟包率為0%，模塊功能可靠，滿足設(shè)計(jì)需求。
5 結(jié)束語
根據(jù)實(shí)際需求，利用ZigBee模塊設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了氣壓的ZigBee數(shù)據(jù)采集與無線傳輸模塊。該ZigBee數(shù)傳模塊成本低，可靠性好，安全，實(shí)用，適用于冷藏集裝箱全自動(dòng)的氣密性試驗(yàn)裝置。