基于ZigBee-WSN白酒發(fā)酵過程溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

（四川理工學(xué)院 自動化與電子信息學(xué)院，自貢 643000）

白酒發(fā)酵過程是中國的一種傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，目前對于白酒發(fā)酵過程溫度檢測多數(shù)采用布線方式或是人工使用一些測量儀器，這樣不能實時地反應(yīng)發(fā)酵過程的動態(tài)變化特性，不能很好地滿足發(fā)酵微生物的代謝條件，從而影響白酒的品質(zhì)和生產(chǎn)效率。隨著傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外有很多實現(xiàn)了在線監(jiān)測[1]，大多數(shù)都是采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸，這種方式可以實現(xiàn)在線監(jiān)測，可是存在布線復(fù)雜、成本高、靈活性差和不可移動等缺點，難以推廣應(yīng)用。而采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低、成本低、傳輸可靠、易于安裝等特點，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)運用到白酒發(fā)酵過程溫度監(jiān)測有著重要的意義。本文通過對白酒發(fā)酵池的不同深度和不同位置的溫度進行數(shù)據(jù)實時采集，經(jīng)過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸，完成節(jié)點間的通信，最后經(jīng)過PC機進行數(shù)據(jù)存儲、處理和顯示，實現(xiàn)對白酒發(fā)酵池的溫度進行實時的檢測。

1 WSN-ZigBee介紹

無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)WSM是將傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)和無線通信技術(shù)融為一體的大規(guī)模自組織網(wǎng)絡(luò)[2]，通過傳感器節(jié)點感知、采集和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的感知對象的信息，各節(jié)點協(xié)同的將這些信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的終端計算機進行處理和管理。該網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)主要是由傳感節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理點組成，將大量的具有采集、傳輸和收發(fā)功能的傳感節(jié)點安放在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，各節(jié)點間通過專用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來實現(xiàn)信息的傳輸處理和匯聚，完成對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)目標的跟蹤和定位、探測和識別。傳感節(jié)點通過自組織網(wǎng)絡(luò)方式組成無線網(wǎng)絡(luò)，且以多跳的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳播感知信息[3]。匯聚節(jié)點最終將傳感節(jié)點感知的信息經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給管理節(jié)點。

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要應(yīng)用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的電子設(shè)備間。ZigBee協(xié)議由4層組成，其中物理層和介質(zhì)訪問層是由IEEE802.15.4標準定義，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定[4]。ZigBee有星型、網(wǎng)狀和樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的終端由精簡功能設(shè)備RFD組成，是終端節(jié)點；許多RFD連接到一個全功能的FFD上，此節(jié)點為路由節(jié)點；許多個RFD和FFD連接到一個FFD上面，該節(jié)點為協(xié)調(diào)器節(jié)點；實際應(yīng)用中由于終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點傳輸距離比較遠，會影響數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，可以適當?shù)囟嘣黾右恍┞酚晒?jié)點，縮短傳輸間的距離并增強網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計

白酒窖池發(fā)酵溫度監(jiān)測系統(tǒng)主要是由ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)和終端PC機2大部分構(gòu)成。ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)是由部署在窖池中不同位置的傳感器終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點構(gòu)成。根據(jù)以往的檢測經(jīng)驗，窖池中不同深度的溫度是不一樣的，這里選擇窖池酒醅的上、中、下3層安放傳感器，負責(zé)對窖池不同位置的溫度進行數(shù)據(jù)采集并處理傳輸；路由節(jié)點主要負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，可以實現(xiàn)傳感終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點間的通訊；協(xié)調(diào)器節(jié)點是將終端節(jié)點和路由節(jié)點采集的數(shù)據(jù)上傳至PC機，數(shù)據(jù)經(jīng)PC機存儲和處理后最終顯示給用戶，完成發(fā)酵過程溫度的實時在線監(jiān)測。

本系統(tǒng)可以對ZigBee模塊進行電路擴展，可以對多個窖池的發(fā)酵溫度進行同時監(jiān)測，CC2530芯片將不同的發(fā)酵窖池采集的參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)天線發(fā)射出去，通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點經(jīng)路由節(jié)點傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點經(jīng)RS-232串口與PC機相連，將各個節(jié)點參數(shù)傳到PC機上，實現(xiàn)不同的發(fā)酵窖池在線實時監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure diagram

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 采集節(jié)點的設(shè)計

采集節(jié)點是整個監(jiān)測系統(tǒng)的核心，可以檢測窖池中不同位置和不同深度的溫度，進行數(shù)據(jù)處理和傳輸，主要由采集模塊、微控制器模塊和無線收發(fā)模塊構(gòu)成。溫度采集使用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，微處理器采用CC2530無線射頻收發(fā)芯片，對采集到的數(shù)據(jù)處理并發(fā)送出去。

3.2 路由節(jié)點設(shè)計

路由節(jié)點是允許網(wǎng)絡(luò)加入、數(shù)據(jù)路由和輔助子節(jié)點通信，在網(wǎng)絡(luò)中起到網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)控制作用。由于窖池發(fā)酵過程受諸多因素影響，終端采集節(jié)點環(huán)境復(fù)雜，采集到的數(shù)據(jù)會受很多障礙物的干擾，使得傳輸距離受到很大的限制，因而可以設(shè)計多個路由節(jié)點，實現(xiàn)終端節(jié)點跳躍式傳輸，這樣路由節(jié)點就將終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點連接起來，完成數(shù)據(jù)的傳輸，也擴展了網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控范圍。

3.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點的設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點主要是由電源電路、串行接口電路、USB電路、時鐘電路和CC2530控制電路組成，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的維護和創(chuàng)建、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)上電后，協(xié)調(diào)器會選擇一個信道，并選擇一個網(wǎng)絡(luò)號建立連接。由于協(xié)調(diào)器的外圍電路比較多而且是處于一直工作的狀態(tài)，所以可以選擇電源供電或者容量大的電池供電，以保證能夠長期工作[5]。由于協(xié)調(diào)器是CC2530與串口電路相結(jié)合，因此采用MAX3221CAE芯片實現(xiàn)串口電平轉(zhuǎn)換。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是由上位機管理軟件和下位機ZigBee節(jié)點這2部分組成。本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用IAR Embedded Workbench for MCS-51，通信協(xié)議使用ZigBee 2006協(xié)議棧，開發(fā)語言使用C++。

4.1 終端采集節(jié)點的軟件設(shè)計

終端采集節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)是通過發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、提出請求，請求成功后就可以與協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)。具體過程是當系統(tǒng)上電后，先初始化ZigBee協(xié)議棧，然后掃描DEFAUT_CHANLIST指定的頻道，搜尋協(xié)調(diào)器節(jié)點，當發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點的超幀信號時，就發(fā)出建網(wǎng)請求，若協(xié)調(diào)器允許加入，就成功入網(wǎng)，此時協(xié)調(diào)器就會分配一個專門的ID號，且將該節(jié)點的MAC地址和ID地址關(guān)聯(lián)注冊。終端采集節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)是由ZigBee設(shè)備對象ZDO實現(xiàn)的，成功加入網(wǎng)絡(luò)后，ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用層APL會收到ZDO_STATE-CHANGE消息，此時網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是DEV_END_DEVICE。不同的傳感器通過ZigBee協(xié)議棧中osal_start_timerEx（）定時函數(shù)周期對發(fā)酵窖池中的溫度數(shù)進行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)以無線方式發(fā)送到路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點[6]。終端采集節(jié)點入網(wǎng)的具體流程如圖2所示。

圖2 終端采集節(jié)點流程Fig.2 Terminal acquisition node flow chart

4.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后，首先完成ZigBee協(xié)議棧的初始化，對信道進行掃描和空閑信道評估等任務(wù)。然后選擇合適的工作信道和網(wǎng)絡(luò)標識符，啟動Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送超幀，等待終端節(jié)點的連接請求。網(wǎng)絡(luò)建立成功后，終端節(jié)點向協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送入網(wǎng)請求，協(xié)調(diào)器節(jié)點對其認證并發(fā)送允許加入命令，此時協(xié)調(diào)節(jié)點與終端節(jié)點綁定成功，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為DEV_ZB_COOR[7]。此外，協(xié)調(diào)器節(jié)點會把終端節(jié)點的ID發(fā)送到管理中心PC機上。當協(xié)調(diào)器節(jié)點收到來自終端節(jié)點和路由節(jié)點的數(shù)據(jù)后，先調(diào)用osl_msg_receive（）函數(shù)從消息隊列接收消息并通過switch-case語句判斷消息ID，若消息ID是AF_INCOMING_MSG_CMD，ZigBee協(xié)議棧應(yīng)用層APL調(diào)用GenericApp_MessageMSGCB（）函數(shù)將收到數(shù)據(jù)通過串口發(fā)至監(jiān)控中心PC機，否則就丟棄數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器節(jié)點流程如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點流程Fig.3 Coordinator node flow chart

5 系統(tǒng)的實驗結(jié)果

將該系統(tǒng)應(yīng)用在某酒廠的發(fā)酵過程中，通過PC處理采集到的數(shù)據(jù)并輸出顯示，因為可以同時監(jiān)測好幾個不同窖池的溫度變化，所以給酒廠管理帶來很大的方便，也節(jié)約了不少人力。圖4所示為某一個窖池根據(jù)PC機采集到窖池上、中、下3層不同溫度，經(jīng)過相關(guān)軟件處理后所繪制出來的變化曲線圖，橫坐標是采集溫度的時間，縱坐標是溫度擴大100倍的值，很直觀地反應(yīng)窖池內(nèi)溫度的變化情況。

圖4 溫度變化曲線Fig.4 Temperature change curve

6 結(jié)語

基于ZigBee-WSN傳感網(wǎng)絡(luò)的白酒發(fā)酵監(jiān)測系統(tǒng)，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)以及無線通訊技術(shù)緊密結(jié)合起來，實現(xiàn)成本低、傳輸效率高、準確率高、安全可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸，完成有效的發(fā)酵參數(shù)實時監(jiān)測。同時該系統(tǒng)可以完成多個窖池的參數(shù)檢測，能夠?qū)崟r地采集發(fā)酵過程參數(shù)，減少了大量的人員工作強度。此外如果協(xié)調(diào)節(jié)點和PC間通過GPRS傳輸，則可以實現(xiàn)遠程的監(jiān)測管理，也可以更換傳感器節(jié)點應(yīng)用在水質(zhì)監(jiān)測、空氣監(jiān)測等領(lǐng)域，具有很好的監(jiān)測效果和廣闊的應(yīng)用前景。

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