基於ZigBee的冷庫溫度無線監測係統的設計

基於(yu) ZigBee的冷庫溫度無線監測係統的設計

1 引言
冷庫是擔負農(nong) 、畜、水產(chan) 等易腐食品以及飲料和部分工業(ye) 原料等商品的加工、儲(chu) 藏任務的必要設施,是商品流通中的重要環節。隨著人們(men) 生活水平的提高,食品的安全衛生越來越受到人們(men) 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,檢查後發現市民每年消費的農(nong) 產(chan) 品及其他易腐食品中有很大部分就是因為(wei) 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於(yu) 貯藏品的質量保證顯得尤為(wei) 重要。
實際中,往往由於(yu) 監測地點過於(yu) 分散,分布範圍廣或由於(yu) 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(chuan) 輸數據,但往往事倍功半,且對於(yu) 通信電纜無法架設的地域來說更是無法進行有線數據傳(chuan) 輸。本文設計的多個(ge) 冷庫溫度無線監測係統通過基於(yu) ZigBee的無線傳(chuan) 輸技術可以很好的解決(jue) 上述實際問題。在本係統中,每個(ge) 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(cong) 而實現對多個(ge) 冷庫溫度的實時監測。其中,單個(ge) 冷庫溫度無線監測係統主要由兩(liang) 部分組成:溫度數據采集係統(無線終端下位機)和溫度數據接收係統(上位機),上位機與(yu) 下位機為(wei) 一對多關(guan) 係,並分別以單片機為(wei) 控製核心,通過搭建的ZigBee網絡平台相。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(you) 點,可以很好地滿足在冷庫溫度監控中對傳(chuan) 輸距離、能耗需求等方麵的要求。

2 ZigBee協議規範研究及分析
本文設計的冷庫溫度無線監測係統采用了近年發展起來的ZigBee無線通信技術。下麵將簡要介紹ZigBee技術在冷庫溫度無線監測係統中需要解決(jue) 的幾個(ge) 主要問題:ZigBee網絡拓撲結構、數據傳(chuan) 輸機製和節能技術。
IEEE802.15.4／ZigBee協議中明確定義(yi) 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(chuan) 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(chuan) 輸數據到終端設備和從(cong) 終端設備傳(chuan) 輸數據的確認機製隨網絡拓撲結構的不同而有所不同。ZigBee技術的數據傳(chuan) 輸模式分為(wei) 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(liang) 個(ge) 終端設備之間傳(chuan) 送數據。在數據傳(chuan) 輸時,一旦建立了數據傳(chuan) 輸鏈路,後續的數據幀傳(chuan) 輸就可以直接采用CSMA.CA機製,點對點沿樹傳(chuan) 輸直到完成所有數據幀的傳(chuan) 輸。
由於(yu) ZigBee應用的低帶寬要求,ZigBee節點可以在大部分時間內(nei) 為(wei) 睡眠模式,以節省電池能量。當接收到廣播信標時被喚醒並迅速發送數據,然後重新進入睡眠模式。ZigBee可以在15毫秒或更短的時間內(nei) 由睡眠模式進入活動模式,因此即使處於(yu) 睡眠的節點也可以實現低時延的目的。

3 係統總體(ti) 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(ge) 冷庫溫度的實時監測,其溫度監測係統示意圖如圖1所示。下位機的單片機將溫度傳(chuan) 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(yu) 上位機無線射頻模塊在已搭建的ZigBee網絡平台上建立通信,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後,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(ge) 冷庫監測單元PC機後通過以太網將數據發送到監測中心PC機上,從(cong) 而實現對多個(ge) 冷庫的實時溫度監測。

在對單個(ge) 冷庫溫度監測係統進行電路設計時,需在冷庫內(nei) 多個(ge) 位置設置測量節點,其硬件結構如圖2所示。其中,上位機與(yu) 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(wei) 2.4GHz,已經被用來開發工業(ye) 無線傳(chuan) 感及家庭組網等PAN網絡。上位機與(yu) 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(yu) 工業(ye) 標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容,現已為(wei) 很多嵌入式控製係統提供了一種靈活性高且價(jia) 廉的方案。節點上的溫度傳(chuan) 感器采用單總線數字溫度傳(chuan) 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(ge) DSl8B20芯片,構成多點溫度檢測係統而無需任何外加硬件。智能傳(chuan) 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(ti) 積小的DSl337可有效的解決(jue) 上述問題。要實現上位機單片機的輸出信號與(yu) 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(wei) 了避免障礙物的阻擋,影響無線數據傳(chuan) 輸,可在冷庫內(nei) 較高處放置AT89C51單片機與(yu) XBee Pro無線射頻收發器的連接模塊。冷庫內(nei) 放置的多個(ge) 溫度傳(chuan) 感器可以與(yu) 就近的XBee Pro無線射頻模塊連接起來構成測量節點。多個(ge) 測量節點與(yu) 上位機在已搭建的ZigBee無線網絡平台上完成收發數據。

4 單個(ge) 冷庫溫度無線監測係統設計
要實現對多個(ge) 冷庫溫度監測係統的控製,就需要分別對單個(ge) 冷庫溫度監測係統進行設計。
4.1 係統硬件電路設計
單個(ge) 冷庫溫度無線監測係統的下位機主要是由單片機與(yu) 溫度傳(chuan) 感器、無線射頻收發器、鍵盤電路、顯示電路、時鍾電路等構成,上位機由單片機與(yu) 無線射頻收發器構成。下麵將主要介紹上述幾個(ge) 模塊的電路設計。
上位機與(yu) 下位機的單片機AT89C51[2]的小係統均如圖3所示,圖中外接晶體(ti) 以及電容C2、C3構成並聯諧振電路,它們(men) 起穩定振蕩頻率、快速起振的作用,其值均為(wei) 30PF左右,晶振頻率選6MHZ。外接複位信號采用的是上電複位和手動複位的結合。

本係統為(wei) 多點溫度測試,溫度傳(chuan) 感器DS18B20[3]既可寄生供電也可外部電源供電。為(wei) 了盡可能減少使用單片機的I/O口,我們(men) 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(ge) ,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(wei) 單片機管腳電壓為(wei) 5V,而XBee Pro模塊的管腳電壓為(wei) 3.3V,故若將兩(liang) 模塊連接需使用光電隔離。其中上位機與(yu) 下位機分別都有XBee Pro模塊與(yu) 單片機的連接,其硬件連接均如圖5所示:(其中S1與(yu) RXD相連,S0與(yu) 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(ge) 按鍵電路,每個(ge) 按鍵占用一條I/O口線,每個(ge) 按鍵的工作狀態相互不會(hui) 產(chan) 生影響,其接口電路如圖6所示:

P2.1口表示起動鍵,起動係統工作。
P2.2口表示停止鍵,停止係統工作。
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,設定係統工作環境的範圍。
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(wei) 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鍾芯片,除了具有其他時鍾芯片所具有的記錄秒、分、時、星期、日、月、年,鬧鍾,可編程方波輸出外,大的特點是體(ti) 積小,連線少,性能良好。下位機單片機AT89C51與(yu) 串行時鍾DS1337的硬件連接如圖8所示(其中R1=R1=R3=R4=3K):

NE56604能為(wei) 多種微處理器和邏輯係統提供複位信號,其門限電平為(wei) 4.2V。在電源突然掉電或電源電壓下降到低於(yu) 門限電平時,NE56604將產(chan) 生的複位信號。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(yu) 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 係統主要軟件設計
本文設計的單個(ge) 冷庫溫度無線監測係統,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,上電後,係統首先進行初始化,然後進行鍵盤輸入掃描,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,並對單總線上的DS18B20進行循環采集。將采集後的溫度數據與(yu) 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。後下位機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(wei) 企業(ye) 節約人力成本,又可以方便我們(men) 隨時對其現場環境溫度進行監控。毫無疑問,在監溫係統中應用無線傳(chuan) 感器技術以及適於(yu) 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並具有廣泛的應用前景。

參考文獻:
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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(chuan) 感器網絡研究。

關鍵詞:遠程溫濕度自動監測係統/溫濕度監控係統、GPRS溫濕度監測係統/溫濕度監控係統/GPRS無線測溫儀(室內)/GPRS室內測溫儀/無線室溫監測單元/GPRS溫濕度記錄儀/無線遠程室溫監測儀/GPRS冷庫溫度監控/冷庫監控係統方案