基于ZigBee的冷庫溫度無線監測系統的設計

1 引言
冷庫是擔負農、畜、水產等易腐食品以及飲料和部分工業原料等商品的加工、儲藏任務的必要設施,是商品流通中的重要環節。隨著人們生活水平的提高,食品的安全衛生越來越受到人們的重視。每年技術監督部門都要對全市各冷庫食品進行抽檢,檢查后發現市民每年消費的農產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的,因此對冷庫溫度的實時監測對于貯藏品的質量保證顯得尤為重要。
實際中,往往由于監測地點過于分散,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據,但往往事倍功半,且對于通信電纜無法架設的地域來說更是無法進行有線數據傳輸。本文設計的多個冷庫溫度無線監測系統通過基于ZigBee的無線傳輸技術可以很好的解決上述實際問題。在本系統中,每個冷庫監測單元PC機通過以太網將采集的溫度數據發送到監測中心PC機,從而實現對多個冷庫溫度的實時監測。其中,單個冷庫溫度無線監測系統主要由兩部分組成:溫度數據采集系統(無線終端下位機)和溫度數據接收系統(上位機),上位機與下位機為一對多關系,并分別以單片機為控制核心,通過搭建的ZigBee網絡平臺相。采用的ZigBee無線通信技術具有省電,可靠度、安全性高,高度擴充性,成本低廉等優點,可以很好地滿足在冷庫溫度監控中對傳輸距離、能耗需求等方面的要求。

2 ZigBee協議規范研究及分析
本文設計的冷庫溫度無線監測系統采用了近年發展起來的ZigBee無線通信技術。下面將簡要介紹ZigBee技術在冷庫溫度無線監測系統中需要解決的幾個主要問題:ZigBee網絡拓撲結構、數據傳輸機制和節能技術。
IEEE802.15.4／ZigBee協議中明確定義了三種拓撲結構:星型結構(Star)、簇樹結構(cluster tree)和網狀結構(Mesh)[1]。在無線傳感器網絡的實際應用中,經常根據應用需要靈活地選擇網絡拓撲結構。
傳輸數據到終端設備和從終端設備傳輸數據的確認機制隨網絡拓撲結構的不同而有所不同。ZigBee技術的數據傳輸模式分為三種:*種是終端設備向協調器發送數據;第二種是協調器發送數據,終端設備接收數據;第三種是在兩個終端設備之間傳送數據。在數據傳輸時,一旦建立了數據傳輸鏈路,后續的數據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據幀的傳輸。
由于ZigBee應用的低帶寬要求,ZigBee節點可以在大部分時間內為睡眠模式,以節省電池能量。當接收到廣播信標時被喚醒并迅速發送數據,然后重新進入睡眠模式。ZigBee可以在15毫秒或更短的時間內由睡眠模式進入活動模式,因此即使處于睡眠的節點也可以實現低時延的目的。

3 系統總體設計方案
本文采用現有的無線射頻元件進行外圍電路設計,實現對多個冷庫溫度的實時監測,其溫度監測系統示意圖如圖1所示。下位機的單片機將溫度傳感器測得的溫度數據發送給對應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網絡平臺上建立通信,實現對冷庫溫度數據的無線采集和發送。上位機無線射頻模塊將接收到的數據發送給上位機單片機后,該上位機單片機通過串口將數據發送至對應的冷庫監測單元PC機。每個冷庫監測單元PC機后通過以太網將數據發送到監測中心PC機上,從而實現對多個冷庫的實時溫度監測。

在對單個冷庫溫度監測系統進行電路設計時,需在冷庫內多個位置設置測量節點,其硬件結構如圖2所示。其中,上位機與下位機的無線射頻模塊均采用XBee Pro 無線射頻收發器,它滿足IEEE802.15.4標準,工作頻率為2.4GHz,已經被用來開發工業無線傳感及家庭組網等PAN網絡。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,與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容,現已為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。節點上的溫度傳感器采用單總線數字溫度傳感器DSl8B20,它可把溫度信號直接轉換成串行數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,構成多點溫度檢測系統而無需任何外加硬件。智能傳感器采集和發送的數據常需要同時附加數據的采集日期和時間,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。要實現上位機單片機的輸出信號與監測單元PC機的通訊,通常利用MAX232電平轉換器來實現。

在本設計中,為了避免障礙物的阻擋,影響無線數據傳輸,可在冷庫內較高處放置AT89C51單片機與XBee Pro無線射頻收發器的連接模塊。冷庫內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成測量節點。多個測量節點與上位機在已搭建的ZigBee無線網絡平臺上完成收發數據。

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

本系統為多點溫度測試,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的數目不宜超過8個,否則需考慮總線驅動問題。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,才能實現數據的無線通訊功能。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相互不會產生影響,其接口電路如圖6所示:

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

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提供復位信號,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將產生的復位信號。其硬件連接如圖9所示:

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

4.2 系統主要軟件設計
本文設計的單個冷庫溫度無線監測系統,主要程序包括下位機測量節點的溫度采集和數據發送以及上位機數據接收三部分。
下位機測量節點的溫度采集流程圖如圖11所示,上電后,系統首先進行初始化,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的中斷來實現每2s采集一次相應的DS18B20數據,并對單總線上的DS18B20進行循環采集。將采集后的溫度數據與設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模塊將溫度數據發送給上位機XBee Pro模塊,其數據發送流程圖如圖12所示,上位機XBee Pro模塊數據接收流程圖如圖13所示。

低溫有毒的環境中解脫出來,為企業節約人力成本,又可以方便我們隨時對其現場環境溫度進行監控。毫無疑問,在監溫系統中應用無線傳感器技術以及適于它的ZigBee無線通信協議,是現在及將來冷庫溫度監控的研究熱點并具有廣泛的應用前景。

參考文獻:
[1] 武永勝,王偉,沈昱明.基于ZigBee技術的無線傳感器網絡組網設計[J].電子測量技術.2009,32(11):121-124. 
[2] 趙娜,趙剛,于珍珠,郭守清.基于51單片機的溫度測量系統[J].微計算機信息.2007,23(2):146-148. 
[3] 張萍.基于數字溫度計DS18B20的溫度測量儀的開發[J].自動化儀表.2007,28(6):64-66. 
[4] 王靜霞.一種與ZigBee/802.15.4協議兼容的RF模塊XBee/XBee Pro及其應用[J].電子工程師.2007,33(3):24-27.
[5] 孫頻東.串行時鐘芯片在智能傳感器中的應用[J].現代電子技術.2002,(10):47-49.

作者簡介:楊曉霞(1988-),女,碩士研究生,研究方向:無線傳感器網絡研究。

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