基于ZigBee的冷库温度无线监测系统的设计

1 引言
冷库是担负农、畜、水产等易腐食品以及饮料和部分工业原料等商品的加工、储藏任务的必要设施,是商品流通中的重要环节。随着人们生活水平的提高,食品的安全卫生越来越受到人们的重视。每年技术监督部门都要对全市各冷库食品进行抽检,检查后发现市民每年消费的农产品及其他易腐食品中有很大部分就是因为冷藏、冷冻未达到要求而变质的,因此对冷库温度的实时监测对于贮藏品的质量保证显得尤为重要。
实际中,往往由于监测地点过于分散,分布范围广或由于条件恶劣无人值守,常常给测试工作带来许多困难。尽管通过电话线亦可以传输数据,但往往事倍功半,且对于通信电缆无法架设的地域来说更是无法进行有线数据传输。本文设计的多个冷库温度无线监测系统通过基于ZigBee的无线传输技术可以很好的解决上述实际问题。在本系统中,每个冷库监测单元PC机通过以太网将采集的温度数据发送到监测中心PC机,从而实现对多个冷库温度的实时监测。其中,单个冷库温度无线监测系统主要由两部分组成:温度数据采集系统(无线终端下位机)和温度数据接收系统(上位机),上位机与下位机为一对多关系,并分别以单片机为控制核心,通过搭建的ZigBee网络平台相联系。采用的ZigBee无线通信技术具有省电,可靠度、安全性高,高度扩充性,成本低廉等优点,可以很好地满足在冷库温度监控中对传输距离、能耗需求等方面的要求。

2 ZigBee协议规范研究及分析
本文设计的冷库温度无线监测系统采用了近年发展起来的ZigBee无线通信技术。下面将简要介绍ZigBee技术在冷库温度无线监测系统中需要解决的几个主要问题:ZigBee网络拓扑结构、数据传输机制和节能技术。
IEEE802.15.4／ZigBee协议中明确定义了三种拓扑结构:星型结构(Star)、簇树结构(cluster tree)和网状结构(Mesh)[1]。在无线传感器网络的实际应用中,经常根据应用需要灵活地选择网络拓扑结构。
传输数据到终端设备和从终端设备传输数据的确认机制随网络拓扑结构的不同而有所不同。ZigBee技术的数据传输模式分为三种:第一种是终端设备向协调器发送数据;第二种是协调器发送数据,终端设备接收数据;第三种是在两个终端设备之间传送数据。在数据传输时,一旦建立了数据传输链路,后续的数据帧传输就可以直接采用CSMA.CA机制,点对点沿树传输直到完成所有数据帧的传输。
由于ZigBee应用的低带宽要求,ZigBee节点可以在大部分时间内为睡眠模式,以节省电池能量。当接收到广播信标时被唤醒并迅速发送数据,然后重新进入睡眠模式。ZigBee可以在15毫秒或更短的时间内由睡眠模式进入活动模式,因此即使处于睡眠的节点也可以实现低时延的目的。

3 系统总体设计方案
本文采用现有的无线射频元件进行外围电路设计,实现对多个冷库温度的实时监测,其温度监测系统示意图如图1所示。下位机的单片机将温度传感器测得的温度数据发送给对应的下位机无线射频模块,该模块与上位机无线射频模块在已搭建的ZigBee网络平台上建立通信,实现对冷库温度数据的无线采集和发送。上位机无线射频模块将接收到的数据发送给上位机单片机后,该上位机单片机通过串口将数据发送至对应的冷库监测单元PC机。每个冷库监测单元PC机最后通过以太网将数据发送到监测中心PC机上,从而实现对多个冷库的实时温度监测。

在对单个冷库温度监测系统进行电路设计时,需在冷库内多个位置设置测量节点,其硬件结构如图2所示。其中,上位机与下位机的无线射频模块均采用XBee Pro 无线射频收发器,它满足IEEE802.15.4标准,工作频率为2.4GHz,已经被用来开发工业无线传感及家庭组网等PAN网络。上位机与下位机的单片机均采用AT89C51,它是一种低电压,高性能的CMOS8位微处理器,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容,现已为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。节点上的温度传感器采用单总线数字温度传感器DSl8B20,它可把温度信号直接转换成串行数字信号供单片机处理,同时在一条总线上可挂接多个DSl8B20芯片,构成多点温度检测系统而无需任何外加硬件。智能传感器采集和发送的数据常需要同时附加数据的采集日期和时间,以方便上位机分析处理,本文采用能耗低、体积小的DSl337可有效的解决上述问题。要实现上位机单片机的输出信号与监测单元PC机的通讯,通常利用MAX232电平转换器来实现。

在本设计中,为了避免障碍物的阻挡,影响无线数据传输,可在冷库内较高处放置AT89C51单片机与XBee Pro无线射频收发器的连接模块。冷库内放置的多个温度传感器可以与就近的XBee Pro无线射频模块连接起来构成测量节点。多个测量节点与上位