基于ZigBee的冷庫溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)的設計

1 引言
冷庫是擔負農(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、儲藏任務的必要設施,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的,因此對冷庫溫度的實時監(jiān)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(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。盡管通過電話線亦可以傳輸數(shù)據(jù),但往往事倍功半,且對于通信電纜無法架設的地域來說更是無法進行有線數(shù)據(jù)傳輸。本文設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系,并分別以單片機為控制核心,通過搭建的ZigBee網(wǎng)絡平臺相聯(lián)系。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(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。下面將簡要介紹ZigBee技術在冷庫溫度無線監(jiān)測系統(tǒng)中需要解決的幾個主要問題:ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構、數(shù)據(jù)傳輸機制和節(jié)能技術。
IEEE802.15.4／ZigBee協(xié)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(wǎng)狀結構(Mesh)[1]。在無線傳感器網(wǎng)絡的實際應用中,經(jīng)常根據(jù)應用需要靈活地選擇網(wǎng)絡拓撲結構。
傳輸數(shù)據(jù)到終端設備和從終端設備傳輸數(shù)據(jù)的確認機制隨網(wǎng)絡拓撲結構的不同而有所不同。ZigBee技術的數(shù)據(jù)傳輸模式分為三種:第一種是終端設備向協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù);第二種是協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù),終端設備接收數(shù)據(jù);第三種是在兩個終端設備之間傳送數(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。當接收到廣播信標時被喚醒并迅速發(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)總體設計方案
本文采用現(xiàn)有的無線射頻元件進行外圍電路設計,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)送至對應的冷庫監(jiān)測單元PC機。每個冷庫監(jiān)測單元PC機最后通過以太網(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)進行電路設計時,需在冷庫內(nèi)多個位置設置測量節(jié)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(fā)器,它滿足IEEE802.15.4標準,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。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電平轉換器來實現(xiàn)。

在本設計中,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)進行設計。
4.1 系統(tǒng)硬件電路設計
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、時鐘電路等構成,上位機由單片機與無線射頻收發(fā)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]的最小系統(tǒng)均如圖3所示,圖中外接晶體以及電容C2、C3構成并聯(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。外接復位信號采用的是上電復位和手動復位的結合。

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,否則需考慮總線驅動問題。其硬件連接電路如圖4所示: