在集裝箱運輸中，對冷藏集裝箱可靠性要求很高，除進行強度實驗外，還需按要求完成熱工性能實驗。熱工性能實驗中需要測量集裝箱的氣密性，漏熱性，制冷性等。
為提高測量的自動化程度，控制測量過程的人為因素，需要設計一套全自動的氣密性試驗裝置。試驗裝置需要能夠精確地測量集裝箱的氣壓，并且通過ZigBee數傳模塊將測量值發(fā)送到接收模塊，由接收模塊控制流量調節(jié)閥開度，調節(jié)供氣量，保持箱內和環(huán)境的壓差。
本文著重介紹氣壓測量及無線ZigBee數傳模塊的設計及實現。在無線傳輸方面，由于ZigBee模塊具有成本低、功耗低、可靠性高、傳輸距離遠等優(yōu)點，因此ZigBee模塊選用了Z-Stack無線通信協(xié)議，以此完成ZigBee模塊設計，程序編制及調試。
1 無線氣壓測量模塊總體設計
無線氣壓測量模塊包含氣壓測量及無線發(fā)送，無線接收及顯示兩個單元。氣壓測量及無線發(fā)送單元主要負責氣壓的ZigBee數傳采集及發(fā)送。控制器選用TI公司的CC2530芯片，氣壓測量選用BMP085替代模塊BMP180氣壓模塊。而無線接收及顯示單元主要負責數據接收及轉換，并通過RS232轉USB串口通信連接上位機，在上位機上實時顯示氣壓的數值。發(fā)送和接收單元之間通過ZigBee模塊點對點的數據傳輸方式。
圖1 無線氣壓測量模塊總體設計
2 無線氣壓測量模塊的硬件設計
為了簡化設計電路，提高ZigBee模塊可靠性，ZigBee模塊的氣壓測量及無線發(fā)送單元，無線接收及顯示單元采用CC2530芯片設計的相同核心板，而根據功能不同設計不同的功能底板。核心板硬件電路相同，但下載不同的程序，完成相應的設計功能。
2.1 氣壓測量及無線發(fā)送單元硬件設計
氣壓測量及無線發(fā)送單元由ZigBee無線模塊無線傳輸核心板，測量及無線發(fā)送單元功能底板，以及氣壓測量傳感器模塊組成。
使用中，氣壓測量傳感器模塊放置在冷藏集裝箱內，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針的標準2.54 排針接插件與功能底板相連。測量及無線發(fā)送單元功能底板主要包含電源供給，程序下載及調試接口，按鍵及LED報警指示，傳感器接口等功能。由于氣壓測量傳感器模塊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的數據線SDA和時鐘線SCL，采用軟件模擬I2C的方式讀寫傳感器。
2.1.1 CC2530 ZigBeem模塊核心板硬件設計
ZigBee無線傳輸核心板主芯片CC2530采用標準8051處理器，滿足2.4GHz ISM波段應用對低成本，低功耗的要求。ZigBee無線傳輸核心板使用2.4G全向SMA天線，不僅設計可靠，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的性能要求。核心板包括以下幾個部分：CC2530片上系統(tǒng)，32MHz系統(tǒng)時鐘，SMA天線，12針及14針接插件接口。
2.1.2 ZigBee數據采集單元功能底板硬件設計
功能底板主要設置電源供應，JTAG程序下載及調試接口，故障報警指示，傳感器測量接口。調試過程中可以通過JTAG調試接口供給電源，實際測量中使用一節(jié)7號3.7V電池供電。由于CC2530供電電壓范圍2-3.6V，因此通過電池供應需要經過CAT6219-330進行線性穩(wěn)壓。功能模塊中設置了無線通信故障、傳感器測量故障等報警，報警通過相應的指示燈指示。BMP180傳感器測量接口使用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，數據線，時鐘線,以及地線。
圖2 ZigBee 無線傳輸核心板原理圖
2.1.3 氣壓測量傳感器模塊硬件設計
氣壓測量傳感器模塊選用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傳感器模塊的特點如下：.低功耗：在標準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，壓力測量的范圍：30000~110000Pa，溫度和壓力數據由BMP180的E2PROM中的校準數據補償。
2.2 無線接收及顯示單元硬件設計
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)送單元設計相同，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，程序下載及調試接口，按鍵及LED報警指示外，還設置了RS232轉USB接口，用以連接上位機。
RS232轉USB接口采用Prolific公司的PL2303芯片完成通信任務，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USB 接口原理圖
3 Zigbee模塊無線氣壓測量模塊的軟件總體設計
軟件在IAR7.6.0 IDE環(huán)境下編制，下載、調試便利。無線通信程序采用簡單的點對點傳輸協(xié)議，使用由TI提供的CC2530 BasicRF例程編制。軟件的整體設計為：在發(fā)送單元軟件中，加入傳感器測量程序進行氣壓測量，定義通信數據包數據格式，將測取的數據內容通過無線傳輸發(fā)送至接收單元；接收單元則輪詢接收完畢標志，接收完畢后，通過USB串口通信，將接收的數值傳輸到上位機實時顯示。
3.1 氣壓模塊測量軟件設計
BMP180模塊氣壓測量采用軟件模擬I2C讀寫E2PROM。I2C總線采用7位地址方式加1位讀或寫信號位，在傳送數據過程中有開始、結束和應答三種類型信號，通過軟件進行模擬，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，需要注意CC2530在每次讀寫都要通過PxDIR寄存器設置IO口的輸入或輸出的方向。度數據，然后再在0xF4地址中寫入0x34+Oss<<6啟動壓力測量。其中Oss是取樣比的控制信號，程序中取為0，每次讀取壓力信號測取1次。在延時4.5s后讀取非補償的壓力數據，而后根據校準數據，計算溫度和壓力值。
圖4 I2C 時序圖
3.2 ZigBee 點對點無線傳輸軟件設計
ZigBee模塊無線傳輸一次可以傳輸最大103字節(jié)的數據，大于程序的需求，溫度和壓力數據在一個數據包中傳輸。ZigBee模塊無線傳輸需要設定參數包括：通道號（CHANNAL_NUM），網絡ID（PAN_ID），接收單元地址（RX_ADDR），發(fā)送單元地址（TX_ADDR）。收發(fā)程序中通道號和網絡ID需要設置一致。程序使用宏定義設置參數。
#define PAN_ID 0x2007#define TX_ADDR 0x2520#define RX_ADDR 0xBEEF#define CHANNAL_NUM 0x0C使用結構體定義傳輸的數據包格式，設置壓力和溫度ID號，便于根據ID判別傳輸錯誤情況，點亮LED燈指示傳輸錯誤。
Typedef struct {uint32 PackSeqNum; //Pack Sequence Numberuint8 pID; //Pressure IDuint8 Ppadding[6];uint8 tID; //Pressure IDuint8 Tpadding[3];} DataPacket_t;接收單元接收到數據，檢驗數據包的序列號是否與預期一致，并檢測ID正確后，發(fā)送接收應答信息，根據序列號計算丟包數量，通過串口將數據傳輸到上位機中。串口通信參數設置：8位數據傳輸，無奇偶校驗位，1位停止位，波特率115200bps。數據使用ASCII編碼傳輸方式進行傳輸。
4 測量結果
完成系統(tǒng)程序編制，調試成功后，進行測試數據測量。收發(fā)單元距離50米的條件下，測試了環(huán)境的大氣壓力，幾次測量結果如下圖：
圖5 測量壓力、溫度及信號強度顯示
環(huán)境平均壓力為：101387.9Pa，數字氣壓計的讀數為101389Pa，誤差為1.1Pa，滿足設計精度。模塊的主要目的是測定氣壓，完成氣密性試驗裝置，溫度數值在模塊中僅作參考。另外測取了無線傳輸信號強度。在50米距離下傳輸數據，信號強度約為-78dbm，距離增加，信號強度會隨之增加。以2000個數據包為一組，測取五組，數據收發(fā)丟包率為0%，模塊功能可靠，滿足設計需求。
5 結束語
根據實際需求，利用ZigBee模塊設計并實現了氣壓的ZigBee數據采集與無線傳輸模塊。該ZigBee數傳模塊成本低，可靠性好，安全，實用，適用于冷藏集裝箱全自動的氣密性試驗裝置。