基于ZigBee的冷庫溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言
冷庫是擔(dān)負農(nóng)、畜、水產(chǎn)等易腐食品以及飲料和部分工業(yè)原料等商品的加工、儲藏任務(wù)的必要設(shè)施,是商品流通中的重要環(huán)節(jié)。隨著人們生活水平的提高,食品的安全衛(wèi)生越來越受到人們的重視。每年技術(shù)監(jiān)督部門都要對全市各冷庫食品進行抽檢,檢查后發(fā)現(xiàn)市民每年消費的農(nóng)產(chǎn)品及其他易腐食品中有很大部分就是因為冷藏、冷凍未達到要求而變質(zhì)的,因此對冷庫溫度的實時監(jiān)測對于貯藏品的質(zhì)量保證顯得尤為重要。
實際中,往往由于監(jiān)測地點過于分散,分布范圍廣或由于條件惡劣無人值守,常常給測試工作帶來許多困難。盡管通過線亦可以傳輸數(shù)據(jù),但往往事倍功半,且對于通信電纜無法架設(shè)的地域來說更是無法進行有線數(shù)據(jù)傳輸。本文設(shè)計的多個冷庫溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)通過基于ZigBee的無線傳輸技術(shù)可以很好的解決上述實際問題。在本系統(tǒng)中,每個冷庫監(jiān)測單元PC機通過以太網(wǎng)將采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心PC機,從而實現(xiàn)對多個冷庫溫度的實時監(jiān)測。其中,單個冷庫溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)主要由兩部分組成:溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(無線終端下位機)和溫度數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)(上位機),上位機與下位機為一對多關(guān)系,并分別以單片機為控制核心,通過搭建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺相。采用的ZigBee無線通信技術(shù)具有省電,可靠度、安全性高,高度擴充性,成本低廉等優(yōu)點,可以很好地滿足在冷庫溫度監(jiān)控中對傳輸距離、能耗需求等方面的要求。

2 ZigBee協(xié)議規(guī)范研究及分析
本文設(shè)計的冷庫溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)采用了近年發(fā)展起來的ZigBee無線通信技術(shù)。下面將簡要介紹ZigBee技術(shù)在冷庫溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)中需要解決的幾個主要問題:ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸機制和節(jié)能技術(shù)。
IEEE802.15.4／ZigBee協(xié)議中明確定義了三種拓撲結(jié)構(gòu):星型結(jié)構(gòu)(Star)、簇樹結(jié)構(gòu)(cluster tree)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)[1]。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用中,經(jīng)常根據(jù)應(yīng)用需要靈活地選擇網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。
傳輸數(shù)據(jù)到終端設(shè)備和從終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的確認機制隨網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的不同而有所不同。ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸模式分為三種:*種是終端設(shè)備向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù);第二種是協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù),終端設(shè)備接收數(shù)據(jù);第三種是在兩個終端設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸時,一旦建立了數(shù)據(jù)傳輸鏈路,后續(xù)的數(shù)據(jù)幀傳輸就可以直接采用CSMA.CA機制,點對點沿樹傳輸直到完成所有數(shù)據(jù)幀的傳輸。
由于ZigBee應(yīng)用的低帶寬要求,ZigBee節(jié)點可以在大部分時間內(nèi)為睡眠模式,以節(jié)省電池能量。當(dāng)接收到廣播信標(biāo)時被喚醒并迅速發(fā)送數(shù)據(jù),然后重新進入睡眠模式。ZigBee可以在15毫秒或更短的時間內(nèi)由睡眠模式進入活動模式,因此即使處于睡眠的節(jié)點也可以實現(xiàn)低時延的目的。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
本文采用現(xiàn)有的無線射頻元件進行外圍電路設(shè)計,實現(xiàn)對多個冷庫溫度的實時監(jiān)測,其溫度監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如圖1所示。下位機的單片機將溫度傳感器測得的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給對應(yīng)的下位機無線射頻模塊,該模塊與上位機無線射頻模塊在已搭建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺上建立通信,實現(xiàn)對冷庫溫度數(shù)據(jù)的無線采集和發(fā)送。上位機無線射頻模塊將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機單片機后,該上位機單片機通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至對應(yīng)的冷庫監(jiān)測單元PC機。每個冷庫監(jiān)測單元PC機后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心PC機上,從而實現(xiàn)對多個冷庫的實時溫度監(jiān)測。

在對單個冷庫溫度監(jiān)測系統(tǒng)進行電路設(shè)計時,需在冷庫內(nèi)多個位置設(shè)置測量節(jié)點,其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,上位機與下位機的無線射頻模塊均采用XBee Pro 無線射頻收發(fā)器,它滿足IEEE802.15.4標(biāo)準,工作頻率為2.4GHz,已經(jīng)被用來開發(fā)工業(yè)無線傳感及家庭組網(wǎng)等PAN網(wǎng)絡(luò)。上位機與下位機的單片機均采用AT89C51,它是一種低電壓,高性能的CMOS8位微處理器,與工業(yè)標(biāo)準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容,現(xiàn)已為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。節(jié)點上的溫度傳感器采用單總線數(shù)字溫度傳感器DSl8B20,它可把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號供單片機處理,同時在一條總線上可掛接多個DSl8B20芯片,構(gòu)成多點溫度檢測系統(tǒng)而無需任何外加硬件。智能傳感器采集和發(fā)送的數(shù)據(jù)常需要同時附加數(shù)據(jù)的采集日期和時間,以方便上位機分析處理,本文采用能耗低、體積小的DSl337可有效的解決上述問題。要實現(xiàn)上位機單片機的輸出信號與監(jiān)測單元PC機的通訊,通常利用MAX232電平轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。

在本設(shè)計中,為了避免障礙物的阻擋,影響無線數(shù)據(jù)傳輸,可在冷庫內(nèi)較高處放置AT89C51單片機與XBee Pro無線射頻收發(fā)器的連接模塊。冷庫內(nèi)放置的多個溫度傳感器可以與就近的XBee Pro無線射頻模塊連接起來構(gòu)成測量節(jié)點。多個測量節(jié)點與上位機在已搭建的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)平臺上完成收發(fā)數(shù)據(jù)。

4 單個冷庫溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
要實現(xiàn)對多個冷庫溫度監(jiān)測系統(tǒng)的控制,就需要分別對單個冷庫溫度監(jiān)測系統(tǒng)進行設(shè)計。
4.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
單個冷庫溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)的下位機主要是由單片機與溫度傳感器、無線射頻收發(fā)器、鍵盤電路、顯示電路、時鐘電路等構(gòu)成,上位機由單片機與無線射頻收發(fā)器構(gòu)成。下面將主要介紹上述幾個模塊的電路設(shè)計。
上位機與下位機的單片機AT89C51[2]的小系統(tǒng)均如圖3所示,圖中外接晶體以及電容C2、C3構(gòu)成并聯(lián)諧振電路,它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用,其值均為30PF左右,晶振頻率選6MHZ。外接復(fù)位信號采用的是上電復(fù)位和手動復(fù)位的結(jié)合。

本系統(tǒng)為多點溫度測試,溫度傳感器DS18B20[3]既可寄生供電也可外部電源供電。為了盡可能減少使用單片機的I/O口,我們采用外部電源供電方式。同時注意單總線上所掛接的DS18B20的數(shù)目不宜超過8個,否則需考慮總線驅(qū)動問題。其硬件連接電路如圖4所示:

XBee Pro[4]模塊自帶軟件包,可以直接實現(xiàn)點對點的無線通訊,但需要提前將XBee Pro模塊進行匹配,才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通訊功能。因為單片機管腳電壓為5V,而XBee Pro模塊的管腳電壓為3.3V,故若將兩模塊連接需使用光電隔離。其中上位機與下位機分別都有XBee Pro模塊與單片機的連接,其硬件連接均如圖5所示:(其中S1與RXD相連,S0與TXD相連)
本設(shè)計采用的是獨立式鍵盤,以查詢方式工作。直接用I/O口線構(gòu)成單個按鍵電路,每個按鍵占用一條I/O口線,每個按鍵的工作狀態(tài)相互不會產(chǎn)生影響,其接口電路如圖6所示:

P2.1口表示起動鍵,起動系統(tǒng)工作。
P2.2口表示停止鍵,停止系統(tǒng)工作。
P2.3口表示通道切換鍵,選擇要觀察的那路溫度。
P2.4口表示設(shè)限鍵,設(shè)定系統(tǒng)工作環(huán)境的范圍。
P2.5口表示加一鍵,數(shù)字“+”鍵,按一下則上限溫度設(shè)定值加1。
P2.6口表示減一鍵,數(shù)字“—”鍵,按一下則下限溫度設(shè)定值減1。
顯示電路采用的是如圖7所示的共陰極七段數(shù)碼管,顯示方式為節(jié)約硬件資源的動態(tài)掃描方式。

DSl337[5]是一種超小型的串行實時時鐘芯片,除了具有其他時鐘芯片所具有的記錄秒、分、時、星期、日、月、年,鬧鐘,可編程方波輸出外,大的特點是體積小,連線少,性能良好。下位機單片機AT89C51與串行時鐘DS1337的硬件連接如圖8所示(其中R1=R1=R3=R4=3K):

NE56604能為多種微處理器和邏輯系統(tǒng)提供復(fù)位信號,其門限電平為4.2V。在電源突然掉電或電源電壓下降到低于門限電平時,NE56604將產(chǎn)生的復(fù)位信號。其硬件連接如圖9所示:

要實現(xiàn)上位機單片機的輸出信號與監(jiān)測單元PC機的通訊,通常利用監(jiān)測單元PC機配置的異步通信適配器,通過MAX232電平轉(zhuǎn)換器即可實現(xiàn)。其電平轉(zhuǎn)換電路如圖10所示:

4.2 系統(tǒng)主要軟件設(shè)計
本文設(shè)計的單個冷庫溫度無線監(jiān)測系統(tǒng),主要程序包括下位機測量節(jié)點的溫度采集和數(shù)據(jù)發(fā)送以及上位機數(shù)據(jù)接收三部分。
下位機測量節(jié)點的溫度采集流程圖如圖11所示,上電后,系統(tǒng)首先進行初始化,然后進行鍵盤輸入掃描,若有輸入則進行輸入處理否則進行溫度采集。溫度采集時,利用定時器T1的中斷來實現(xiàn)每2s采集一次相應(yīng)的DS18B20數(shù)據(jù),并對單總線上的DS18B20進行循環(huán)采集。將采集后的溫度數(shù)據(jù)與設(shè)置的溫度上下限比較,若超限則進行報警處理,否則顯示溫度。后下位機XBee Pro模塊將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機XBee Pro模塊,其數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖12所示,上位機XBee Pro模塊數(shù)據(jù)接收流程圖如圖13所示。

低溫有毒的環(huán)境中解脫出來,為企業(yè)節(jié)約人力成本,又可以方便我們隨時對其現(xiàn)場環(huán)境溫度進行監(jiān)控。毫無疑問,在監(jiān)溫系統(tǒng)中應(yīng)用無線傳感器技術(shù)以及適于它的ZigBee無線通信協(xié)議,是現(xiàn)在及將來冷庫溫度監(jiān)控的研究熱點并具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻:
[1] 武永勝,王偉,沈昱明.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù).2009,32(11):121-124. 
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作者簡介:楊曉霞(1988-),女,碩士研究生,研究方向:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究。

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