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

1 引言
冷庫是擔(dān)負(fù)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(chǔ)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(duì)全市各冷庫食品進(jìn)行抽檢,檢查后發(fā)現(xiàn)市民每年消費(fèi)的農(nóng)產(chǎn)品及其他易腐食品中有很大部分就是因?yàn)槔洳?、冷凍未達(dá)到要求而變質(zhì)的,因此對(duì)冷庫溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于貯藏品的質(zhì)量保證顯得尤為重要。
實(shí)際中,往往由于監(jiān)測(cè)地點(diǎn)過于分散,分布范圍廣或由于條件惡劣無人值守,常常給測(cè)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(duì)于通信電纜無法架設(shè)的地域來說更是無法進(jìn)行有線數(shù)據(jù)傳輸。本文設(shè)計(jì)的多個(gè)冷庫溫度無線監(jiān)測(cè)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(shí)際問題。在本系統(tǒng)中,每個(gè)冷庫監(jiān)測(cè)單元PC機(jī)通過以太網(wǎng)將采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心PC機(jī),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)冷庫溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中,單個(gè)冷庫溫度無線監(jiān)測(cè)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(jī))和溫度數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)(上位機(jī)),上位機(jī)與下位機(jī)為一對(duì)多關(guān)系,并分別以單片機(jī)為控制核心,通過搭建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)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(kuò)充性,成本低廉等優(yōu)點(diǎn),可以很好地滿足在冷庫溫度監(jiān)控中對(duì)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(jì)的冷庫溫度無線監(jiān)測(cè)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(jiǎn)要介紹ZigBee技術(shù)在冷庫溫度無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中需要解決的幾個(gè)主要問題:ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和節(jié)能技術(shù)。
IEEE802.15.4／ZigBee協(xié)議中明確定義了三種拓?fù)浣Y(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(shí)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?fù)浣Y(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(rèn)機(jī)制隨網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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(gè)終端設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí),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(jī)制,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(diǎn)可以在大部分時(shí)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(shí)被喚醒并迅速發(fā)送數(shù)據(jù),然后重新進(jìn)入睡眠模式。ZigBee可以在15毫秒或更短的時(shí)間內(nèi)由睡眠模式進(jìn)入活動(dòng)模式,因此即使處于睡眠的節(jié)點(diǎn)也可以實(shí)現(xiàn)低時(shí)延的目的。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
本文采用現(xiàn)有的無線射頻元件進(jìn)行外圍電路設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)冷庫溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),其溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。下位機(jī)的單片機(jī)將溫度傳感器測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給對(duì)應(yīng)的下位機(jī)無線射頻模塊,該模塊與上位機(jī)無線射頻模塊在已搭建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上建立通信,實(shí)現(xiàn)對(duì)冷庫溫度數(shù)據(jù)的無線采集和發(fā)送。上位機(jī)無線射頻模塊將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)單片機(jī)后,該上位機(jī)單片機(jī)通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至對(duì)應(yīng)的冷庫監(jiān)測(cè)單元PC機(jī)。每個(gè)冷庫監(jiān)測(cè)單元PC機(jī)后通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測(cè)中心PC機(jī)上,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)冷庫的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。

在對(duì)單個(gè)冷庫溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí),需在冷庫內(nèi)多個(gè)位置設(shè)置測(cè)量節(jié)點(diǎn),其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,上位機(jī)與下位機(jī)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(zhǔn),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(jī)與下位機(jī)的單片機(jī)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(zhǔn)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(jià)廉的方案。節(jié)點(diǎn)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(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理,同時(shí)在一條總線上可掛接多個(gè)DSl8B20芯片,構(gòu)成多點(diǎn)溫度檢測(cè)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(shí)附加數(shù)據(jù)的采集日期和時(shí)間,以方便上位機(jī)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(shí)現(xiàn)上位機(jī)單片機(jī)的輸出信號(hào)與監(jiān)測(cè)單元PC機(jī)的通訊,通常利用MAX232電平轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)。

在本設(shè)計(jì)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(jī)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(gè)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(cè)量節(jié)點(diǎn)。多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)在已搭建的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上完成收發(fā)數(shù)據(jù)。

4 單個(gè)冷庫溫度無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
要實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)冷庫溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制,就需要分別對(duì)單個(gè)冷庫溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
4.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
單個(gè)冷庫溫度無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的下位機(jī)主要是由單片機(jī)與溫度傳感器、無線射頻收發(fā)器、鍵盤電路、顯示電路、時(shí)鐘電路等構(gòu)成,上位機(jī)由單片機(jī)與無線射頻收發(fā)器構(gòu)成。下面將主要介紹上述幾個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)。
上位機(jī)與下位機(jī)的單片機(jī)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(hào)采用的是上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位的結(jié)合。

本系統(tǒng)為多點(diǎn)溫度測(cè)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(jī)的I/O口,我們采用外部電源供電方式。同時(shí)注意單總線上所掛接的DS18B20的數(shù)目不宜超過8個(gè),否則需考慮總線驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線通訊,但需要提前將XBee Pro模塊進(jìn)行匹配,才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通訊功能。因?yàn)閱纹瑱C(jī)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(jī)與下位機(jī)分別都有XBee Pro模塊與單片機(jī)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(jì)采用的是獨(dú)立式鍵盤,以查詢方式工作。直接用I/O口線構(gòu)成單個(gè)按鍵電路,每個(gè)按鍵占用一條I/O口線,每個(gè)按鍵的工作狀態(tài)相互不會(huì)產(chǎn)生影響,其接口電路如圖6所示:

P2.1口表示起動(dòng)鍵,起動(dòng)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(dòng)態(tài)掃描方式。

DSl337[5]是一種超小型的串行實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片,除了具有其他時(shí)鐘芯片所具有的記錄秒、分、時(shí)、星期、日、月、年,鬧鐘,可編程方波輸出外,大的特點(diǎn)是體積小,連線少,性能良好。下位機(jī)單片機(jī)AT89C51與串行時(shí)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(hào),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(shí),NE56604將產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)。其硬件連接如圖9所示:

要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)單片機(jī)的輸出信號(hào)與監(jiān)測(cè)單元PC機(jī)的通訊,通常利用監(jiān)測(cè)單元PC機(jī)配置的異步通信適配器,通過MAX232電平轉(zhuǎn)換器即可實(shí)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(jì)
本文設(shè)計(jì)的單個(gè)冷庫溫度無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),主要程序包括下位機(jī)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的溫度采集和數(shù)據(jù)發(fā)送以及上位機(jī)數(shù)據(jù)接收三部分。
下位機(jī)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的溫度采集流程圖如圖11所示,上電后,系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化,然后進(jìn)行鍵盤輸入掃描,若有輸入則進(jìn)行輸入處理否則進(jìn)行溫度采集。溫度采集時(shí),利用定時(shí)器T1的中斷來實(shí)現(xiàn)每2s采集一次相應(yīng)的DS18B20數(shù)據(jù),并對(duì)單總線上的DS18B20進(jìn)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(jìn)行報(bào)警處理,否則顯示溫度。后下位機(jī)XBee Pro模塊將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)XBee Pro模塊,其數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖12所示,上位機(jī)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(shí)對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度進(jìn)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(diǎn)并具有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)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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