冷鏈設備無線溫度控制系統研制

黃培（江蘇建筑職業技術學院機電工程學院　徐州　221116）

冷鏈設備無線溫度控制系統研制

黃培
（江蘇建筑職業技術學院機電工程學院徐州221116）

摘要設計了一種冷鏈設備無線溫度控制系統，該系統主要由溫度采集模塊、無線中繼模塊、主控機軟件等部分組成。系統采用ATmega128L作為溫度采集基站控制器，基站和終端節點通過基于ZigBee的CC2420無線收發芯片進行數據傳輸，軟件系統匯總各節點傳來的監測數據，并根據設定的產品的溫度限制指標，對冷鏈設備中溫度的變化進行分析，如發現超標和異常情況，系統將通過各種通信機制，發出預報警信息。該系統能夠滿足控制要求，且經濟實惠，易于推廣應用。

關鍵詞冷鏈溫度檢測ATmega128L單片機ZigBee技術

一、引言

冷鏈（Cold chain）是指食品、特殊的生物制品和藥品在產品加工、貯藏、運輸、分銷和零售、使用過程中，其各個環節始終處于產品所必需的特定低溫環境下，減少損耗，防止污染和變質，以保證產品食品安全、生物安全、藥品安全的特殊供應鏈系統［1］。但是目前冷鏈設備的溫度控制系統卻依然沒有得到足夠的關注，我國的冷鏈設備溫度監測手段主要由人工測量和紙面記錄來進行，還沒有成形的統一的穩定的系統技術做支持，也不能進行監測和報警、損失比較嚴重。近幾年發生的食品安全問題，血液、疫苗質量問題讓人們觸目驚心，所以冷鏈設備各個環節的溫度監測、控制刻不容緩。本文根據冷鏈系統需求采用ATmega128L作為溫度采集基站控制器，基站和終端節點通過基于ZigBee 的CC2420無線收發芯片進行數據傳輸，對冷鏈設備中溫度進行實時監測，如發現超標和異常情況，系統將通過各種通信機制，發出預報警信息。

二、系統組成及工作原理

冷鏈設備無線監控系統可以實時檢測冷鏈系統中各個設備的溫度。本系統主要由溫度采集模塊、中繼模塊、主控機軟件和其他的硬件電路組成。系統采用ATmega128L作為基站控制器，基站和終端節點通過基于ZigBee協調器節點的CC2420無線收發芯片進行數據傳輸，無線溫度傳感器網絡的組網方式采用網狀拓撲結構實現。系統框圖如圖1所示：

三、系統的硬件設計與實現

硬件主要由溫度采集模塊和中繼模塊兩部分組成。

1、溫度采集模塊

溫度采集模塊主要包括溫度傳感器、微處理器和無線發射芯片，如圖2所示。系統選擇PT100作為溫度傳感器，采用Atmel公司的ATmegal28L微控制器作為本模塊的微處理器電路，采用Chipcon公司的CC2420射頻收發器作為無線發射接收模塊的主芯片。系統要求溫度采用4路信號采樣，信號經傳感器采集后通過A/D轉換處理，將冷鏈設備的實時溫度數據發射到無線中繼模塊。

（1）溫度傳感器電路

ATmegal28L是8位微控制器，是AVR系列目前中功能最強大的控制器。微處理器ATmega128L內部自帶AD轉換電路［2］，與溫度傳感器PT100的連接如圖3所示。圖中的電阻R2為普通的限壓電阻，用于防止出現過壓或過流，以保護電路；電阻Rl為熱敏電阻。

（2）無線通信模塊電路

CC2420芯片是符合2.4 GHZ IEEE802.15.4標準的射頻收發器，它是基于Chipcon公司的SmartRF03技術，只需很少的外部元器件即實現，性能穩定，而且功耗極低［3］。CC2420與ATmega128L處理器的連接比較簡便，與CC2420交換數據、發送命令，ATmega128L處理器主要通過4線SPI總線（SO、CSn、SCLK、SI）來設置工作模式；使用RESET引腳來復位芯片［4］。ATmega128L微控制器的4個SPI接口：SS、MISO、SCLK、MO-SI，對應CC2420無線收發芯片的4個SPI接口：CSn、SO、SCLK、SI［4］。無線收發芯片CC2420與微控制器ATmegal128L的連接圖如圖4所示。

2、無線中繼模塊

無線中繼模塊作為ZigBee協調器節點與局域網連接的橋梁，無線中繼模塊與溫度采集模塊的數據處理原理相似，它把接收到的信號進行處理，處理方法主要是先經過低噪聲放大器和正交下變頻成中頻信號，再轉換成數字信號，然后與主控機進行連接，將溫度值發送給主控機。用戶可以通過主控機獲得系統各個節點的溫度值，實現溫度的遠程監測和控制，并可以設置需要時報警的參數值［5］。其無線中繼模塊的原理框圖如圖5所示。

四、系統軟件設計

系統程序主要包括主程序、發射端程序、接收端程序、溫度子程序、報警子程序、語音子程序、顯示子程序。在主程序的設計中，主要考慮主界面的簡單控制、用戶如何方便的訪問無線中繼模塊，改變其網絡配置，來加強系統的安全性，使之方便用戶管理。其中，無線節點模塊的軟件設計是本系統軟件設計的核心。

1、數據的發送與接收

數據發送必須遵循相關的通訊協議，發射機部分必須采用直接上變頻。根據IEEE 802.15.4標準，要發送的數據信號擴頻后送到DAC變換器，然后再經調制、放大后發射出去［6］。

接收部分使用IEEE 802.15.4標準的應答機制，從而保證數據傳輸的可靠性。當發生以下情況后系統將宣布發生錯誤：在一定時間內沒有收到應答，數據將被重新發送，當重發一定次數后接收方仍無應答時。

2、網絡配置與網絡關聯

因ZigBee技術具有自組網功能，所以本系統選用較成熟實用的星型網絡方式進行數據傳輸。星型網絡是由Zig-Bee協調器節點和多個終端設備共同組成。

根據系統要求，為了方便各個模塊連接到系統設定的固定網絡中，主控機可以通過執行孤立通知過程來查找之前的網絡，或者也可以執行關聯過程來加入到另一個新網絡中。在執行孤立通知過程時，ZigBee協調器節點將通過查找它的鄰接表的方式來識別主控機。

3、ZigBee通信協議的設置

CC2420無線傳輸芯片中的功能框圖如圖6所示。

五、結論

從冷鏈設備無線監控系統溫度采集模塊和無線中繼模塊的設計與各個模塊的實現方式入手，設計了一種行之有效、方便快捷、價格低廉的冷鏈溫度實時監測方式。相應的軟件系統匯總從各節點傳來的由溫度采集模塊采集來的監測數據，并根據系統設定的產品的溫度限制指標，對冷鏈設備中溫度的變化進行分析，如發現超標和異常情況，系統將通過各種通信機制，發出預報警信息。本系統具有實時、精確、方便、可靠等優點。

參考文獻

［1］朱輝.食品冷鏈物流配送管理研究［D］.上海交通大學，2008，15-18.

［2］Li W，Lai M Y.Performance Evaluation of Cold Chain Bansed on BP Neural Network［C］. Proceedings of the First International Conference on Transporta-tion Engineering，Changsha，2007：1-6.

［3］王洪軍.基于無線傳感器網絡的冷鏈溫度監測系統的研究［D］.哈爾濱理工大學碩士論文，2011：03-01.

［4］Li J.Issues of Food-Related Cold-Chain Logistics Management in China［C］.Logistics Systems and Intelligent Management，2010 International Conference on，Harbin，2010：2-4.

［5］方妍.國內外食品冷鏈物流發展現狀的比較分析［D］.對外經濟貿易大學，2009，22-25.

［6］王曉娟.冷鏈設備無線溫度監控系統采集模塊的設計與實現［D］.山東：中國海洋大學，2007，30-35.

The R&D of Monitoring System for the Wireless Temperature Control of Cold Chain Equipment

Huang Pei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangsu Institute of Architectural TechnologyXuzhou221116）

AbstractA wireless temperature control system of cold chain equipment is designed. The system is composed of temperature acquisition module，wireless relay module，master control software and so on. The system uses ATmega128L as the base station controller，base station and terminal node through the CC2420 ZigBee wireless transceiver chip for data transmission，software system to collect the monitoring data of each node，and according to the set of product temperature limit index，the temperature of cold chain equipment analysis，if found excessive and abnormal situation，the system will send out the warning information. The system can meet the control requirements，and affordable，easy to promote the application.

KeywordsCold chainTemperature detectionATmega128L SCMZigBee the technology

中圖分類號TP212.1+1

文獻標識碼A

文章編號160223-7207