基于ZigBee 技術的食品冷庫環境監測報警系統設計

王 浩

(健雄職業技術學院 軟件與服務外包學院，江蘇 太倉 215411)

0 引言

冷庫的應用現在已經變的相當廣泛，各種食品的保存，全都離不開冷庫，冷庫環境監測主要包括兩大方面，溫度與濕度，任何食品的保存，都與其密不可分.然而傳統的冷庫環境監測系統采用人工監測和報警，具有施工成本高、不易擴展，同時有線傳輸面臨布線復雜，維護升級困難等.隨著無線傳感網絡通信技術的快速發展，本文提出一種基于ZigBee 無線傳感網絡技術對食品冷庫環境進行實時監測與報警的設計方案，通過基于ZigBee 協議的CC2530 芯片通信節點、溫濕度傳感器以及執行節點相結合，可以實現溫濕度的自動監測及報警功能.

1 系統設計

為了提高傳統食品冷庫環境監測及報警系統的靈活性和可擴展性，使冷庫監測與報警系統更加模塊化，在本系統設計中采用具有低功耗、低成本、高擴展性以及2.4GHZ 頻段的ZigBee 技術，構建一個無線傳感網絡［1］，用以監測冷庫溫濕度狀況和實時報警.該網絡由ZigBee 溫度采集節點、ZigBee 濕度采集節點、ZigBee 協調器節點和ZigBee 報警執行節點組成.溫濕度采集節點負責溫濕度數據的采集和處理，報警執行節點完成報警指示功能，協調器節點一方面負責將溫濕度節點發送過來的溫濕度數據向報警執行節點的進行轉發和接收報警執行節點發送過來的報警狀態數據信息，另一方面還將接收到數據通過RS232 接口傳送至監測計算機進行解析處理，并顯示在Window 圖形管理界面中，為用戶提供更快、更直觀地溫濕度數據信息和報警設備的指示狀態［2］.食品冷庫環境監測報警系統架構如圖1 所示.

系統總體可以分為兩部分:監測分析處理部分和報警指示部分.其主要工作流程如下:

(1)首先由ZigBee 協調器節點建立通信網絡，建立成功后，溫度采集節點、濕度采集節點和報警執行節點分別加入該通信網絡.加入通信網絡成功之后，所有節點都可以發送數據到ZigBee 協調器節點，也可以接收來自ZigBee 協調器節點發送過來的數據信息［3］.

(2)監測分析處理部分所包含的溫度采集節點和濕度采集節點分別帶有溫度傳感器和濕度傳感器，用于循環采集冷庫環境溫濕度參數，然后與事先設定好的溫濕度上下限進行比較.若溫度、濕度值均在合理范圍內，則向ZigBee 協調器節點發送溫濕度正常數據消息，然后繼續采集、分析，若發現溫度值和濕度值中至少一項高于上限或者低于下限值，就向ZigBee 報警執行節點發送報警命令.同時ZigBee協調器節點還將接收到數據通過RS232 接口傳送至監測計算機進行解析處理，并在Window 圖形管理界面中顯示溫濕度數據信息和報警設備的指示狀態信息.

(3)報警指示部分根據接收到的命令及時、準確的通過四個可控亮滅的LED 指示燈做出溫度還是濕度超限的操作.最后工作人員或者其它調控溫濕度的設備根據報警信號，做出正確的調控溫濕度操作，從而使食品存儲在冷庫環境中持續達到工業標準，保障食品企業安全生產.

圖1 食品冷庫環境監測報警系統架構組成

2 系統的硬件設計

ZigBee 無線傳感器網絡的主要設備有溫度采集節點、濕度采集節點、協調器節點和報警執行節點，它們都屬于微型嵌入式系統，主要由處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊以及相應的調試接口組成.PC 機通過一個RS232 接口與協調器節點進行串口通信，以便實時顯示溫濕度數據信息.

2.1 協調器節點硬件設計

協調器節點采用TI 公司的CC2530 作為主處理器.它是一款真正針對IEEE802.15.4 的ZigBee RF4CE 智能能源應用的片上系統解決方案［4］.芯片上還結合了一個完全集成的高性能射頻收發器，帶有8051MCU、8KBRAM、256KB 閃存以及其它強勁的支持功能和外設，空中傳輸速率高達250kbps，特別適合自動控制和遠程控制領域應用［5］.CC2530 芯片內部集成了微處理器和無線通信模塊，它只需少量外圍元器件配合就能實現信號的收發功能，它的外圍電路包括晶振時鐘電路、無線耦合匹配電路和電源模塊三個部分.協調器節點硬件結構如圖2 所示.

2.2 溫度采集節點和濕度采集節點硬件設計

溫度采集節點和濕度采集節點除了CC2530 芯片內部集成了微處理器和無線通信模塊外，其外圍電路包括溫度傳感器/濕度傳感器、晶振時鐘電路、無線耦合匹配電路和電源模塊四個部分.

(1)溫度傳感器采用高精度數字溫度傳感器AD7414 芯片搭載ZigBee 智能傳感器底板，它應用專用的數字模塊采集技術和溫度傳感技術，確保采集的數據具有極高的可靠性和穩定性.CC2530 芯片模擬I2C 總線時序，使用I2C 接口讀取當前環境的溫度測量值，該芯片具有低功耗、響應快、精度高(±0.5℃)、抗干擾能力強等優點［6］，測溫范圍為－55℃～－125℃之間.溫度采集節點硬件結構如圖3所示.

圖3 溫度采集節點硬件結構

(2)濕度傳感器采用高精度數字溫度傳感器DHT11 芯片搭載ZigBee 智能傳感器底板，DHT11 是一款含有已校準數字信號輸出的濕度傳感器，濕度量程范圍為20%RH－90%RH，CC2530 芯片I/O 模擬單線雙向串行接口時序，使用單線雙向串行接口，讀取當前環境下濕度傳感器DHT11 的測量值［7］.濕度采集節點硬件結構如圖4 所示.

圖4 濕度采集節點硬件結構

2.3 報警執行節點硬件設計

報警執行節點模塊包括ZigBee 執行節點和控制模組，控制模組主要有4 個5V 繼電器，兩個雙層USB 口及控制電路三部分組成［］.它主要實現對開關量的控制及對USB 接口供電的電器設備控制.Zig-Bee 執行節點接收來自ZigBee 協調器節點發送的指令，然后控制這4 個繼電器的各個端口的通斷，以實現溫濕度LED 指示燈的開和關操作.報警執行節點模塊工作方式如圖5 所示.

圖5 報警執行節點模塊工作圖

3 系統的軟件設計

系統軟件實現包括四個部分:溫度采集節點、濕度采集節點、協調器節點以及報警執行節點.

3.1 溫度采集節點和濕度采集節點軟件設計

圖6 溫濕度采集節點程序設計流程圖

溫度采集節點和濕度采集節點分別帶有溫度傳感器和濕度傳感器，各自進行周期性循環采集溫濕度參數，然后將采集的結果和設定好的上下限進行比較.根據比較的結果，發送兩個字節的命令數據到協調器節點.第一個字節屬于節點編號值，代表該數據是由溫度采集節點、濕度采集節點或是報警執行節點發送的，第二個字節是“溫濕度報警信息”，即代表本次測量的溫度或者濕度值是正常值、高于上限值還是低于下限值.如果高于上限值則為“2”，如果低于下限值則為“1”，否則為“0”，表示正常.由于溫度采集節點和濕度采集節點的程序設計流程基本一樣，為了簡化程序設計流程，以下將溫度采集節點和濕度采集節點經過整合形成如圖6 所示的溫濕度采集節點程序設計流程.

3.2 協調器節點軟件設計

當協調器節點接收無線數據，根據接收到的第一個字節編號判斷是哪個節點發送過來的數據，如果是報警執行節點發送過來的數據，則將它的地址保存下來，用于向報警執行節點發送數據.如果是溫濕度節點發送過來的數據，則轉發到報警執行節點.協調器節點程序設計流程如圖7 所示.

圖7 協調器節點程序流程圖

3.3 報警執行節點軟件設計

報警執行節點上有四個可控亮滅的LED 指示燈，它接收協調器節點的報警指示命令，根據接收到的命令數據的第一個字節判斷是溫度指示還是濕度指示，根據第二個字節判斷是正常、超過上限還是低于下限.當第一個字節為溫度編號值時，第二個字節是“0”，表示溫度正常，完成兩個溫度報警LED 指示燈都滅的操作.第二個字節是“1”，表示溫度低于下限值，完成點亮溫度下限報警LED 指示燈操作.第二個字節是“2”，表示溫度高于上限值，完成點亮溫度上限報警LED 指示燈操作.當第一個字節為濕度編號值時，第二個字節是“0”，表示濕度正常，完成兩個濕度報警LED 指示燈都滅的操作.第二個字節是“1”，表示濕度低于下限值，完成點亮濕度下限報警LED 指示燈操作.第二個字節是“2”，表示濕度高于上限，完成點亮濕度上限報警LED 指示燈操作，報警執行節點程序設計流程如圖8 所示.

圖8 報警執行節點程序流程圖

4 系統測試

為了驗證環境監測報警系統能夠正常可靠工作，首先通過RS232 串口線纜連接監測計算機串口和ZigBee 協調器，然后系統上電啟動，協調器節點的通信指示燈會先閃爍3 次，表示建立通信網絡成功，這時將會看到溫度采集節點和濕度采集節點的通信指示燈會先閃爍三次，報警執行節點的通信指示燈也會閃爍三次，表示ZigBee 無線通信網絡組網成功.這時通過串口調試助手工具顯示出所處環境的“溫度下限”和“濕度下限”值，如圖9 所示.表明當前測量的溫度值和濕度值都低于設定的下限值，報警執行節點上的溫度下限LED 指示燈和濕度下限LED 指示燈都會點亮.這說明溫度采集節點和濕度采集節點及報警執行節點的監測和報警的數據較為精準，可以正常工作.

圖9 溫濕度信息顯示

5 結束語

文中基于ZigBee 無線通信技術，提出一個基于無線傳輸的食品冷庫環境監測報警系統解決方案，該系統有效地解決了傳統食品冷庫監測和報警系統中連線繁多、故障率高、可擴展性差等問題，具有通信可靠、投資少、利于擴展等優點，使食品行業安全生產存儲得到有效保障.如果更換采集節點的傳感器和執行節點控制設備，則該系統可廣泛應用于糧食及藥品行業的監測及控制.

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