基于ZigBee 技术的食品冷库环境监测报警系统设计

王 浩

(健雄职业技术学院 软件与服务外包学院，江苏 太仓 215411)

0 引言

冷库的应用现在已经变的相当广泛，各种食品的保存，全都离不开冷库，冷库环境监测主要包括两大方面，温度与湿度，任何食品的保存，都与其密不可分.然而传统的冷库环境监测系统采用人工监测和报警，具有施工成本高、不易扩展，同时有线传输面临布线复杂，维护升级困难等.随着无线传感网络通信技术的快速发展，本文提出一种基于ZigBee 无线传感网络技术对食品冷库环境进行实时监测与报警的设计方案，通过基于ZigBee 协议的CC2530 芯片通信节点、温湿度传感器以及执行节点相结合，可以实现温湿度的自动监测及报警功能.

1 系统设计

为了提高传统食品冷库环境监测及报警系统的灵活性和可扩展性，使冷库监测与报警系统更加模块化，在本系统设计中采用具有低功耗、低成本、高扩展性以及2.4GHZ 频段的ZigBee 技术，构建一个无线传感网络［1］，用以监测冷库温湿度状况和实时报警.该网络由ZigBee 温度采集节点、ZigBee 湿度采集节点、ZigBee 协调器节点和ZigBee 报警执行节点组成.温湿度采集节点负责温湿度数据的采集和处理，报警执行节点完成报警指示功能，协调器节点一方面负责将温湿度节点发送过来的温湿度数据向报警执行节点的进行转发和接收报警执行节点发送过来的报警状态数据信息，另一方面还将接收到数据通过RS232 接口传送至监测计算机进行解析处理，并显示在Window 图形管理界面中，为用户提供更快、更直观地温湿度数据信息和报警设备的指示状态［2］.食品冷库环境监测报警系统架构如图1 所示.

系统总体可以分为两部分:监测分析处理部分和报警指示部分.其主要工作流程如下:

(1)首先由ZigBee 协调器节点建立通信网络，建立成功后，温度采集节点、湿度采集节点和报警执行节点分别加入该通信网络.加入通信网络成功之后，所有节点都可以发送数据到ZigBee 协调器节点，也可以接收来自ZigBee 协调器节点发送过来的数据信息［3］.

(2)监测分析处理部分所包含的温度采集节点和湿度采集节点分别带有温度传感器和湿度传感器，用于循环采集冷库环境温湿度参数，然后与事先设定好的温湿度上下限进行比较.若温度、湿度值均在合理范围内，则向ZigBee 协调器节点发送温湿度正常数据消息，然后继续采集、分析，若发现温度值和湿度值中至少一项高于上限或者低于下限值，就向ZigBee 报警执行节点发送报警命令.同时ZigBee协调器节点还将接收到数据通过RS232 接口传送至监测计算机进行解析处理，并在Window 图形管理界面中显示温湿度数据信息和报警设备的指示状态信息.

(3)报警指示部分根据接收到的命令及时、准确的通过四个可控亮灭的LED 指示灯做出温度还是湿度超限的操作.最后工作人员或者其它调控温湿度的设备根据报警信号，做出正确的调控温湿度操作，从而使食品存储在冷库环境中持续达到工业标准，保障食品企业安全生产.

图1 食品冷库环境监测报警系统架构组成

2 系统的硬件设计

ZigBee 无线传感器网络的主要设备有温度采集节点、湿度采集节点、协调器节点和报警执行节点，它们都属于微型嵌入式系统，主要由处理器模块、无线通信模块、电源模块以及相应的调试接口组成.PC 机通过一个RS232 接口与协调器节点进行串口通信，以便实时显示温湿度数据信息.

2.1 协调器节点硬件设计

协调器节点采用TI 公司的CC2530 作为主处理器.它是一款真正针对IEEE802.15.4 的ZigBee RF4CE 智能能源应用的片上系统解决方案［4］.芯片上还结合了一个完全集成的高性能射频收发器，带有8051MCU、8KBRAM、256KB 闪存以及其它强劲的支持功能和外设，空中传输速率高达250kbps，特别适合自动控制和远程控制领域应用［5］.CC2530 芯片内部集成了微处理器和无线通信模块，它只需少量外围元器件配合就能实现信号的收发功能，它的外围电路包括晶振时钟电路、无线耦合匹配电路和电源模块三个部分.协调器节点硬件结构如图2 所示.

2.2 温度采集节点和湿度采集节点硬件设计

温度采集节点和湿度采集节点除了CC2530 芯片内部集成了微处理器和无线通信模块外，其外围电路包括温度传感器/湿度传感器、晶振时钟电路、无线耦合匹配电路和电源模块四个部分.

(1)温度传感器采用高精度数字温度传感器AD7414 芯片搭载ZigBee 智能传感器底板，它应用专用的数字模块采集技术和温度传感技术，确保采集的数据具有极高的可靠性和稳定性.CC2530 芯片模拟I2C 总线时序，使用I2C 接口读取当前环境的温度测量值，该芯片具有低功耗、响应快、精度高(±0.5℃)、抗干扰能力强等优点［6］，测温范围为－55℃～－125℃之间.温度采集节点硬件结构如图3所示.

图3 温度采集节点硬件结构

(2)湿度传感器采用高精度数字温度传感器DHT11 芯片搭载ZigBee 智能传感器底板，DHT11 是一款含有已校准数字信号输出的湿度传感器，湿度量程范围为20%RH－90%RH，CC2530 芯片I/O 模拟单线双向串行接口时序，使用单线双向串行接口，读取当前环境下湿度传感器DHT11 的测量值［7］.湿度采集节点硬件结构如图4 所示.

图4 湿度采集节点硬件结构

2.3 报警执行节点硬件设计

报警执行节点模块包括ZigBee 执行节点和控制模组，控制模组主要有4 个5V 继电器，两个双层USB 口及控制电路三部分组成［］.它主要实现对开关量的控制及对USB 接口供电的电器设备控制.Zig-Bee 执行节点接收来自ZigBee 协调器节点发送的指令，然后控制这4 个继电器的各个端口的通断，以实现温湿度LED 指示灯的开和关操作.报警执行节点模块工作方式如图5 所示.

图5 报警执行节点模块工作图

3 系统的软件设计

系统软件实现包括四个部分:温度采集节点、湿度采集节点、协调器节点以及报警执行节点.

3.1 温度采集节点和湿度采集节点软件设计

图6 温湿度采集节点程序设计流程图

温度采集节点和湿度采集节点分别带有温度传感器和湿度传感器，各自进行周期性循环采集温湿度参数，然后将采集的结果和设定好的上下限进行比较.根据比较的结果，发送两个字节的命令数据到协调器节点.第一个字节属于节点编号值，代表该数据是由温度采集节点、湿度采集节点或是报警执行节点发送的，第二个字节是“温湿度报警信息”，即代表本次测量的温度或者湿度值是正常值、高于上限值还是低于下限值.如果高于上限值则为“2”，如果低于下限值则为“1”，否则为“0”，表示正常.由于温度采集节点和湿度采集节点的程序设计流程基本一样，为了简化程序设计流程，以下将温度采集节点和湿度采集节点经过整合形成如图6 所示的温湿度采集节点程序设计流程.

3.2 协调器节点软件设计

当协调器节点接收无线数据，根据接收到的第一个字节编号判断是哪个节点发送过来的数据，如果是报警执行节点发送过来的数据，则将它的地址保存下来，用于向报警执行节点发送数据.如果是温湿度节点发送过来的数据，则转发到报警执行节点.协调器节点程序设计流程如图7 所示.

图7 协调器节点程序流程图

3.3 报警执行节点软件设计

报警执行节点上有四个可控亮灭的LED 指示灯，它接收协调器节点的报警指示命令，根据接收到的命令数据的第一个字节判断是温度指示还是湿度指示，根据第二个字节判断是正常、超过上限还是低于下限.当第一个字节为温度编号值时，第二个字节是“0”，表示温度正常，完成两个温度报警LED 指示灯都灭的操作.第二个字节是“1”，表示温度低于下限值，完成点亮温度下限报警LED 指示灯操作.第二个字节是“2”，表示温度高于上限值，完成点亮温度上限报警LED 指示灯操作.当第一个字节为湿度编号值时，第二个字节是“0”，表示湿度正常，完成两个湿度报警LED 指示灯都灭的操作.第二个字节是“1”，表示湿度低于下限值，完成点亮湿度下限报警LED 指示灯操作.第二个字节是“2”，表示湿度高于上限，完成点亮湿度上限报警LED 指示灯操作，报警执行节点程序设计流程如图8 所示.

图8 报警执行节点程序流程图

4 系统测试

为了验证环境监测报警系统能够正常可靠工作，首先通过RS232 串口线缆连接监测计算机串口和ZigBee 协调器，然后系统上电启动，协调器节点的通信指示灯会先闪烁3 次，表示建立通信网络成功，这时将会看到温度采集节点和湿度采集节点的通信指示灯会先闪烁三次，报警执行节点的通信指示灯也会闪烁三次，表示ZigBee 无线通信网络组网成功.这时通过串口调试助手工具显示出所处环境的“温度下限”和“湿度下限”值，如图9 所示.表明当前测量的温度值和湿度值都低于设定的下限值，报警执行节点上的温度下限LED 指示灯和湿度下限LED 指示灯都会点亮.这说明温度采集节点和湿度采集节点及报警执行节点的监测和报警的数据较为精准，可以正常工作.

图9 温湿度信息显示

5 结束语

文中基于ZigBee 无线通信技术，提出一个基于无线传输的食品冷库环境监测报警系统解决方案，该系统有效地解决了传统食品冷库监测和报警系统中连线繁多、故障率高、可扩展性差等问题，具有通信可靠、投资少、利于扩展等优点，使食品行业安全生产存储得到有效保障.如果更换采集节点的传感器和执行节点控制设备，则该系统可广泛应用于粮食及药品行业的监测及控制.

［1］李文仲，段朝玉.ZigBee2007/Pro 协议栈实验与实践［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009.

［2］李晓维，徐勇军，任丰原.无线传感器网络技术［M］.北京:北京理工大学出版社，2007.

［3］张少军.无线传感器网络技术及应用［M］.北京:中国电力出版社，2010.

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［7］潘伟.基于ZigBee 技术的无线传感网络研究［J］.计算机技术与发展，2008，18(9):244－247.

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