基于ZigBee技術的計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在食品溯源監(jiān)管中的應用

陳亞陽

(龍海市質量計量檢驗檢測所，福建 漳州 363100）

當前，食品企業(yè)對內部生產銷售原始記錄大多采用書面形式，造成人工成本增加，影響數(shù)據(jù)的及時性和客觀性，給食品安全監(jiān)管的科學性和高效性造成一定的影響。基于ZigBee技術的計量數(shù)據(jù)采集是充分結合食品企業(yè)生產銷售各個環(huán)節(jié)中原始記錄的核心點——計量，通過ZigBee技術，把各個計量關鍵點無線聯(lián)接起來，建立由傳感器采集終端、路由器端、協(xié)調器端以及PC端組成的計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，形成企業(yè)臺帳自動記錄。

1 ZigBee技術

1.1 ZigBee協(xié)議

ZigBee與Bluetooth、Wi-Fi、IrDA等都是目前比較常見的短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡協(xié)議，相比于其他短線網(wǎng)絡，ZigBee具有低速率、低功耗、低成本、易架設的特點，支持主從模式和點對點模式，支持大量節(jié)點和多種網(wǎng)絡拓撲，同時支持2.4GHz、915MHz、868MHz頻段，傳輸可靠性高，廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)及智能家居等領域。

ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡層（NWK）、應用層（APL）等。其中PHY和MAC遵循IEEE 802.15.4標準的規(guī)定，在此基礎上，ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡層 （NWK）和應用層（APL），如圖1所示。

圖1 IEEE與ZigBee Alliance分工

ZigBee網(wǎng)絡中設備可定義三種角色，即協(xié)調器（ZC）、路由器（ZR）和終端節(jié)點（ZED），其中，ZC負責發(fā)起并維護一個無線網(wǎng)絡，識別網(wǎng)絡中的設備加入網(wǎng)絡；ZR支撐網(wǎng)絡鏈路結構，完成數(shù)據(jù)包的轉發(fā)；ZED節(jié)點是網(wǎng)絡的感知者和執(zhí)行者，負責數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡動作。

1.2 ZigBee模塊

根據(jù)ZigBee協(xié)議以及適用特性，各大廠家紛紛開發(fā)了ZigBee芯片，并圍繞該芯片技術推出了適用各種端口的外圍電路，即為“ZigBee模塊”，主要由微控制器模塊、存儲器、無線收發(fā)模塊、電源模塊和其它外設功能模塊組成。文中采用的ZigBee模塊是由TI公司生產的CC2530F256。

2 ZigBee計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

2.1 計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架設計及工作原理

2.1.1 計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架設計

基于ZigBee技術的計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖2所示，由硬件和軟件組成。硬件包括：電子秤4臺、CC2530模塊6塊、PC主機1臺；軟件包括：IAR編譯軟件、仿真器SmartRF04EB（或CC Debugger）、數(shù)據(jù)采集開發(fā)軟件LabWindows/CVI（或Visual C++）、SSCOM3.2串口調試軟件、串口驅動程序。

圖2 基于ZigBee技術的計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1.2 工作原理

把CC2530模塊安裝在需要的位置后，用IAR軟件編譯程序，分別定義協(xié)調器（ZC）、路由器（ZR）和終端節(jié)點（ZED）三個角色，并通過仿真器SmartRF04EB（或CC Debugger）燒寫到CC2530模塊上，ZED與計量器具接連后，對計量稱重實時數(shù)據(jù)以無線傳輸模式中轉至ZR（如果距離不大，不需要設置），由ZR無線傳輸給ZC，ZC與PC以RS232連接方式進行數(shù)據(jù)通信，在上位機的軟件上（通過LabWindows/CVI或Visual C++開發(fā)）進行數(shù)據(jù)匯集歸納分析，形成進料、配料、投料及出料等環(huán)節(jié)的電子臺帳。

2.2 ZigBee硬件架設

2.2.1 網(wǎng)絡節(jié)點電路模塊設計

2.2.1.1 終端節(jié)點與傳感器的電路連接

電子秤稱重模板一般采用HX711模塊。在連接時，HX711稱重傳感器對應CC2530開發(fā)板的電路接口為：VOC接 3.3V，SCK接P0.6，DT接P0.6，GND接 GND。

2.2.1.2 協(xié)調器節(jié)點與PC的電路連接

CC2530協(xié)調器有兩個串行通信接口USART0和USART1，為TTL電平，而PC機的串行通信接口是RS-232電平接口，兩者的電氣規(guī)范不一致，需要借助接口芯片進行電平轉換，然后實現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)通信。現(xiàn)在大部分PC機與外部數(shù)據(jù)對接時都采用USB接口，因此，可以選用C8051F320單片機作為USB的控制芯片，其結構圖如圖3所示。

圖3 USB接口與PC機對接

2.3 軟件設計與使用

2.3.1 軟件安裝

安 裝 IAR7.60、LabWindows/CVI或 Visual C++、SmartRF Flash Programme及串口調試助手軟件以及SmartRF04EB（或CC Debugger）仿真器驅動程序和USB轉串口驅動程序。

2.3.2 網(wǎng)絡節(jié)點角色定義

從IAR軟件中打開工程SampleApp.eww，在Workspace下拉框中選擇不同的角色。

（1）編譯協(xié)調器節(jié)點

連接第一個CC2530模塊。在 Workspace 下拉框中選擇“CoordinatorEB”，在工程名上點右鍵，選擇”Rebuild All”（第一次一定要用“Rebuild All”，后面再修改代碼只用“Make”即可），編譯正確后下載到CC2530協(xié)調器節(jié)點上。

（2）編譯終端節(jié)點

連接第二個CC2530模塊。在Workspace下拉框中選擇“EndDeviceEB”，方法如上。編譯正確后，作為終端節(jié)點下載到該板上。

（3）編譯路由器節(jié)點

連接第三個CC2530模塊。在Workspace下拉框中選擇“RouterEB-Pro”，方法同上。

2.3.3 數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)

2.3.3.1 LabWindows/CVI簡介

LabWindows/CVI軟件在編寫規(guī)范上基本與C語言一致，其工程文件格式為（*.prj），包含了源程序文件（*.c）、文件頭（*.h）和用戶界面文件（*.uir）。

2.3.3.2 LabWindows/CVI開發(fā)步驟

（1）確定數(shù)據(jù)采集框架。包括人機界面、軟件框架和面板中控件的回調函數(shù)等。

（2）設計人機界面。在編輯窗口設計人機界面，包括控件的選擇及放置、回調函數(shù)的設置等。

（3）編寫程序的源代碼。在人機界面編輯完成后，點擊菜單下的代碼，生成全部代碼，程序會自動生成軟件的主程序和回調函數(shù)的整體框架，設計人員只需向其中添加相應的代碼即可。

（4）軟件的調試運行。完成代碼的編寫后，點擊菜單欄運行下的調試選項或者直接點擊調試快捷鍵，對編寫的軟件進行調試修改。

2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組網(wǎng)測試

2.4.1 測試工具

SSCOM3.2串口調試軟件。

2.4.2 對協(xié)調器、路由器進行串口測試

通過SSCOM3.2串口調試軟件對協(xié)調器進行串口測試。在SSCOM3.2軟件中選擇相應的端口COM1，并設置參數(shù)，波特率為38400，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，奇偶校驗方式為None，數(shù)據(jù)流控制方式為None。若在軟件前兩行中出現(xiàn)Starting ZPS和Stack started，則說明協(xié)議棧初始化成功。

對路由器串口調試方法同上。路由器搜尋網(wǎng)絡成功時，會顯示：Scan Channel：15 Channel Mask：00008000 與 Node rejoined network with Addr 0xb95兩條記錄。

2.4.3 通信測試

將協(xié)調器和路由器組號設置成0×0002，終端設備組號設成 0×0003。

連接串口，可以觀察到只有0×0002的兩個設備相互發(fā)送信息（注：此處略去各節(jié)點發(fā)送及接收的代碼）（見圖4）。

圖4 協(xié)調器、路由器、終端節(jié)點調試

2.4.4 軟件調試

打開數(shù)據(jù)采集軟件界面，選擇USB端口，然后進行測試，如圖5所示。

圖5 軟件主界面

3 結語

目前，應用ZigBee對計量數(shù)據(jù)進行無線采集的技術較為成熟，應用領域也越來越廣泛，在食品行業(yè)中推廣使用計量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將對食品企業(yè)的管理效率產生明顯的提升作用，也會帶動食品行業(yè)向數(shù)字化管理邁向重要的一步，從而積極推進食品安全溯源體系的健全和完善。