基于ZigBee的冷庫溫度無(wú)線(xiàn)監測系統的設計

1 引言
冷庫是擔負農、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)的必要設施,是商品流通中的重要環(huán)節。隨著(zhù)人們生活水平的提高,食品的安全衛生越來(lái)越受到人們的重視。每年技術(shù)監督部門(mén)都要對全市各冷庫食品進(jìn)行抽檢,檢查后發(fā)現市民每年消費的農產(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(shí)時(shí)監測對于貯藏品的質(zhì)量保證顯得尤為重要。
實(shí)際中,往往由于監測地點(diǎn)過(guò)于分散,分布范圍廣或由于條件惡劣無(wú)人值守,常常給測試工作帶來(lái)許多困難。盡管通過(guò)電話(huà)線(xiàn)亦可以傳輸數據,但往往事倍功半,且對于通信電纜無(wú)法架設的地域來(lái)說(shuō)更是無(wú)法進(jìn)行有線(xiàn)數據傳輸。本文設計的多個(gè)冷庫溫度無(wú)線(xiàn)監測系統通過(guò)基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)可以很好的解決上述實(shí)際問(wèn)題。在本系統中,每個(gè)冷庫監測單元PC機通過(guò)以太網(wǎng)將采集的溫度數據發(fā)送到監測中心PC機,從而實(shí)現對多個(gè)冷庫溫度的實(shí)時(shí)監測。其中,單個(gè)冷庫溫度無(wú)線(xiàn)監測系統主要由兩部分組成:溫度數據采集系統(無(wú)線(xiàn)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(guān)系,并分別以單片機為控制核心,通過(guò)搭建的ZigBee網(wǎng)絡(luò )平臺相聯(lián)系。采用的ZigBee無(wú)線(xiàn)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(diǎn),可以很好地滿(mǎn)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(xié)議規范研究及分析
本文設計的冷庫溫度無(wú)線(xiàn)監測系統采用了近年發(fā)展起來(lái)的ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。下面將簡(jiǎn)要介紹ZigBee技術(shù)在冷庫溫度無(wú)線(xiàn)監測系統中需要解決的幾個(gè)主要問(wèn)題:ZigBee網(wǎng)絡(luò )拓撲結構、數據傳輸機制和節能技術(shù)。
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(shù)結構(cluster tree)和網(wǎng)狀結構(Mesh)[1]。在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)際應用中,經(jīng)常根據應用需要靈活地選擇網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )拓撲結構的不同而有所不同。ZigBee技術(shù)的數據傳輸模式分為三種:第一種是終端設備向協(xié)調器發(fā)送數據;第二種是協(xié)調器發(fā)送數據,終端設備接收數據;第三種是在兩個(gè)終端設備之間傳送數據。在數據傳輸時(shí),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(diǎn)對點(diǎn)沿樹(shù)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(diǎn)可以在大部分時(shí)間內為睡眠模式,以節省電池能量。當接收到廣播信標時(shí)被喚醒并迅速發(fā)送數據,然后重新進(jìn)入睡眠模式。ZigBee可以在15毫秒或更短的時(shí)間內由睡眠模式進(jìn)入活動(dòng)模式,因此即使處于睡眠的節點(diǎn)也可以實(shí)現低時(shí)延的目的。

3 系統總體設計方案
本文采用現有的無(wú)線(xiàn)射頻元件進(jìn)行外圍電路設計,實(shí)現對多個(gè)冷庫溫度的實(shí)時(shí)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(fā)送給對應的下位機無(wú)線(xiàn)射頻模塊,該模塊與上位機無(wú)線(xiàn)射頻模塊在已搭建的ZigBee網(wǎng)絡(luò )平臺上建立通信,實(shí)現對冷庫溫度數據的無(wú)線(xiàn)采集和發(fā)送。上位機無(wú)線(xiàn)射頻模塊將接收到的數據發(fā)送給上位機單片機后,該上位機單片機通過(guò)串口將數據發(fā)送至對應的冷庫監測單元PC機。每個(gè)冷庫監測單元PC機最后通過(guò)以太網(wǎng)將數據發(fā)送到監測中心PC機上,從而實(shí)現對多個(gè)冷庫的實(shí)時(shí)溫度監測。

在對單個(gè)冷庫溫度監測系統進(jìn)行電路設計時(shí),需在冷庫內多個(gè)位置設置測量節點(diǎn),其硬件結構如圖2所示。其中,上位機與下位機的無(wú)線(xiàn)射頻模塊均采用XBee Pro 無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器,它滿(mǎn)足IEEE802.15.4標準,工作頻率為2.4GHz,已經(jīng)被用來(lái)開(kāi)發(fā)工業(yè)無(wú)線(xiàn)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(jià)廉的方案。節點(diǎn)上的溫度傳感器采用單總線(xiàn)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(shí)在一條總線(xiàn)上可掛接多個(gè)DSl8B20芯片,構成多點(diǎn)溫度檢測系統而無(wú)需任何外加硬件。智能傳感器采集和發(fā)送的數據常需要同時(shí)附加數據的采集日期和時(shí)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(wèn)題。要實(shí)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(lái)實(shí)現。

在本設計中,為了避免障礙物的阻擋,影響無(wú)線(xiàn)數據傳輸,可在冷庫內較高處放置AT89C51單片機與XBee Pro無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器的連接模塊。冷庫內放置的多個(gè)溫度傳感器可以與就近的XBee Pro無(wú)線(xiàn)射頻模塊連接起來(lái)構成測量節點(diǎn)。多個(gè)測量節點(diǎn)與上位機在已搭建的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺上完成收發(fā)數據。

4 單個(gè)冷庫溫度無(wú)線(xiàn)監測系統設計
要實(shí)現對多個(gè)冷庫溫度監測系統的控制,就需要分別對單個(gè)冷庫溫度監測系統進(jìn)行設計。
4.1 系統硬件電路設計
單個(gè)冷庫溫度無(wú)線(xiàn)監測系統的下位機主要是由單片機與溫度傳感器、無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器、鍵盤(pán)電路、顯示電路、時(shí)鐘電路等構成,上位機由單片機與無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器構成。下面將主要介紹上述幾個(gè)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(dòng)復位的結合。

本系統為多點(diǎn)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(shí)注意單總線(xiàn)上所掛接的DS18B20的數目不宜超過(guò)8個(gè),否則需考慮總線(xiàn)驅動(dòng)問(wèn)題。其硬件連接電路如圖4所示: