基于ZigBee的冷庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王志明 楊金鑫 丁忠昌

摘 要：文章以溫濕度和二氧化碳濃度作為監(jiān)測(cè)參數(shù)，選擇CC2530作為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的核心芯片，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee技術(shù)的冷庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng);進(jìn)行了其他相關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)，完成了節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì);在硬件的基礎(chǔ)上結(jié)合ZigBee協(xié)議棧對(duì)協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的軟件以及傳感器采集數(shù)據(jù)程序進(jìn)行了設(shè)計(jì);最后對(duì)系統(tǒng)的上位機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：ZigBee; 冷庫(kù)貯藏; 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

自從19世紀(jì)中葉制冷機(jī)出現(xiàn)后，將食品如水產(chǎn)品、肉類食品、乳制品、農(nóng)產(chǎn)品等放置于冷凍、冷藏設(shè)備中貯藏成為食品保質(zhì)保鮮的主要措施。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的新科技被應(yīng)用到冷凍、冷藏設(shè)備中進(jìn)行環(huán)境（溫度、濕度等）監(jiān)測(cè)，例如設(shè)備向智能化、控制遠(yuǎn)程化、參數(shù)多元化和操作的便捷簡(jiǎn)易化方向發(fā)展。1987年加拿大安大略省園藝研究所Lauro等[1]對(duì)果蔬儲(chǔ)藏溫、濕度監(jiān)測(cè)設(shè)備增加了氣體濃度和其他相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能。2004年韓國(guó)木浦國(guó)立大學(xué)Lim等[2]對(duì)冷庫(kù)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，采用有線方式進(jìn)行了冷庫(kù)溫度的監(jiān)測(cè)，開發(fā)了便捷簡(jiǎn)易的操作軟件。2016年葡萄牙波爾圖大學(xué)Sousa等[3]設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)冷庫(kù)的溫度、相對(duì)濕度、用電功耗和冷庫(kù)門開關(guān)的狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2016年印度蒂魯吉拉伯利國(guó)立技術(shù)學(xué)院Kumar[4]利用無(wú)線通信方式對(duì)冷庫(kù)的溫濕度和氣體濃度以及其他參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。2017年印度蒂魯吉拉伯利國(guó)立技術(shù)學(xué)院Sathish 等[5]運(yùn)用ZigBee技術(shù)構(gòu)建了無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，除了監(jiān)測(cè)常規(guī)溫濕度之外，增加了光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)，并通過(guò)模糊邏輯控制器實(shí)現(xiàn)參數(shù)的控制。2017年印度班加羅爾工程學(xué)院Chandanashree等[6]運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)和各節(jié)點(diǎn)終端的開發(fā)。在國(guó)內(nèi)，2006年桂林工學(xué)院趙政春等[7-8]用CAN總線技術(shù)以及數(shù)字傳感器進(jìn)行冷庫(kù)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)大范圍的冷庫(kù)區(qū)域通過(guò)布置多個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)得到更精確的測(cè)量結(jié)果。2007年西北農(nóng)林科技大學(xué)的高寶平等[9]在監(jiān)測(cè)參數(shù)方面增加了氣體的監(jiān)測(cè)和互聯(lián)網(wǎng)的連接，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的冷庫(kù)監(jiān)測(cè)。2013年山西大學(xué)的張軍等[10-11]在冷庫(kù)監(jiān)測(cè)中增加了GSM報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)的遠(yuǎn)程預(yù)警。

目前國(guó)內(nèi)冷庫(kù)、冷藏貨架的監(jiān)測(cè)設(shè)備存在環(huán)境參數(shù)單一、數(shù)據(jù)傳輸方式不靈活、數(shù)據(jù)處理方式的抗干擾能力差等問題，而食品儲(chǔ)藏環(huán)境冷庫(kù)、冷藏貨架設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、智能化和安全化是未來(lái)若干年的發(fā)展方向，其中比較適合使用的就是ZigBee無(wú)線通信技術(shù)，使用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式逐步取代有線的傳輸方式。本文將無(wú)線傳感器技術(shù)應(yīng)用在冷庫(kù)的監(jiān)測(cè)中，通過(guò)對(duì)冷庫(kù)環(huán)境、ZigBee技術(shù)以及數(shù)據(jù)融合算法的研究，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee技術(shù)的冷庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 硬件設(shè)計(jì)

ZigBee名稱的命名來(lái)源于蜜蜂采蜜時(shí)相互之間的交流方式。當(dāng)蜜蜂發(fā)現(xiàn)花粉源，會(huì)通過(guò)跳“之”字形舞蹈（英文名稱為Zigzag）通知其他蜜蜂花粉源的信息，如距離、方位、多少和其他與位置相關(guān)的信息，實(shí)現(xiàn)信息共享。蜜蜂這種傳遞信息的方式具有體積小、距離近、能耗少和全向性等特點(diǎn)，這跟無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的體積小、能耗低和近距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)非常類似。因此，人們將ZigBee代表這種新興的短距離無(wú)線通信技術(shù)。在此之前，ZigBee也被稱為“HomeRF Lite”“RF- EasyLink”或“fireFly”無(wú)線電技術(shù)，從這些字面上也可以理解這種技術(shù)的特點(diǎn)。

ZigBee的物理層工作在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz這3個(gè)頻段上，868 MHz和915 MHz是歐洲和美國(guó)專有，? 2.4 GHz在全球范圍內(nèi)都可以使用。因此，國(guó)內(nèi)的ZigBee設(shè)備一般都使用2.4 GHz的頻段，其速率也最高。

隨著ZigBee技術(shù)的飛速發(fā)展，很多大的半導(dǎo)體公司都推出了能夠支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)即ZigBee技術(shù)的射頻芯片，CC2530是TI公司推出的用于2.4 GHz的IEEE 802.15.4/RF4CE/ZigBee的第二代芯片的片上系統(tǒng)，具備低功耗、射頻功能強(qiáng)大、增強(qiáng)型內(nèi)核、多種獨(dú)有資源和功能的特點(diǎn)。針對(duì)ZigBee協(xié)議內(nèi)置了特有的一些資源和功能，如4個(gè)定時(shí)器中T2定時(shí)器為MAC層定時(shí)器，硬件具有AES安全協(xié)處理器并支持可靠性更高的CSMA/CA，能夠?qū)SSI等鏈路質(zhì)量數(shù)字化，還配備有內(nèi)置的8通道12位可配置分辨率的ADC。由于CC2530具有如此多樣的功能特性，且其基于8051的內(nèi)核以及較廣的應(yīng)用，成本也較低，因此本系統(tǒng)采用的射頻芯片為CC2530芯片。

本文所做的冷庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用SHT10數(shù)字溫濕度傳感器，它由一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件和信號(hào)處理電路集成在一塊芯片上，通過(guò)IIC協(xié)議進(jìn)行通信，輸出經(jīng)過(guò)標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，具有體積小、功耗低、抗干擾性能強(qiáng)、響應(yīng)速度快、性價(jià)比較高等優(yōu)點(diǎn)。部分食品保鮮制冷設(shè)備采用氣調(diào)冷庫(kù)形式，因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷庫(kù)中的二氧化碳濃度。本系統(tǒng)選用了能夠在-40 ℃低溫下工作的SGP30數(shù)字二氧化碳傳感器，它是一種金屬氧化物氣體傳感器，芯片上集成了多個(gè)傳感元件，有較強(qiáng)的抗干擾和低漂移特性，具有溫度補(bǔ)償功能，可以對(duì)CO2濃度進(jìn)行測(cè)量。二氧化碳傳感器與溫濕度傳感器的通信方式一樣，也是支持IIC通信協(xié)議的IIC器件，與主控連接后需要通過(guò)I/O口模擬IIC總線測(cè)量氣體。在ZigBee技術(shù)的應(yīng)用中，需用大量的代碼進(jìn)行ZigBee協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，而這些代碼是要在無(wú)線芯片（例如本文中的CC2530）上運(yùn)行，因此，需要一種適合該硬件場(chǎng)景的編譯器（Embedded Workbench）進(jìn)行軟件的開發(fā)。本文選擇TI官方推薦的瑞典軟件公司IAR的產(chǎn)品IAR集成編譯器進(jìn)行軟件功能開發(fā)。IAR是專門為嵌入式軟件開發(fā)設(shè)計(jì)的一種交叉編譯器，它支持多種8位、16位、32位處理器的開發(fā)，其中就包括本文所用的基于8051內(nèi)核的CC2530芯片。IAR能夠?qū)崿F(xiàn)C/C++語(yǔ)言程序的編譯，從仿真器還可以進(jìn)行程序的下載、仿真和在線調(diào)試;它可以輸出多種格式的目標(biāo)文件，方便第三方軟件進(jìn)行其他功能應(yīng)用和接口使用。由于在ZigBee的開發(fā)中需要Z-Stack協(xié)議棧與IAR配合，因此它們的版本要兼容，否則會(huì)導(dǎo)致無(wú)法編譯。在本系統(tǒng)中，Z-Stack協(xié)議棧使用的版本是ZStack-2.5.1a，IAR的版本是IAR EW8051-8.1，是兼容的。

硬件功能模塊由4個(gè)模塊組成（見圖1）。

（1）采集模塊。

采集模塊主要是利用傳感器將需要采集的環(huán)境信息進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測(cè)量。目前的傳感器一般可分為數(shù)字傳感器和模擬傳感器，對(duì)于本系統(tǒng)而言，出于系統(tǒng)的便利性考慮，使用的傳感器都是數(shù)字傳感器。數(shù)字傳感器只需要連接相應(yīng)的I/O口，然后利用軟件讀出測(cè)量的數(shù)據(jù)即可完成測(cè)量。

（2）控制器模塊。

控制器模塊主要是單片機(jī)最小系統(tǒng)的構(gòu)建，在本系統(tǒng)中使用無(wú)線芯片，主要是保證芯片能夠正常運(yùn)行。

（3）通信模塊。

本系統(tǒng)的通信主要分為兩個(gè)部分：與PC間的通信和各節(jié)點(diǎn)之間的通信。與PC的通信一般是使用串口（USART）通信，由于PC常用USB通信方式，因此需要進(jìn)行USART-USB的轉(zhuǎn)換。無(wú)線通信部分則是保證無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)正常，一般是使用天線進(jìn)行收發(fā)。

（4）電源模塊。

目前的無(wú)線芯片和多數(shù)傳感器都使用3.3V電壓供電，本系統(tǒng)也使用3.3V供電，但為了系統(tǒng)的拓展性和電壓的穩(wěn)定性，總的供電電壓選擇5V，同時(shí)預(yù)留5V的輸出接口，3.3V電壓則使用穩(wěn)壓器進(jìn)行3.3V電壓輸出?？紤]到便攜性，除協(xié)調(diào)器外的無(wú)線節(jié)點(diǎn)不僅可以采用直接電源供電，還可選用5V電池供電。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括各節(jié)點(diǎn)上的軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)端的軟件設(shè)計(jì)兩大部分。由于各類節(jié)點(diǎn)的功能不同，所以各節(jié)點(diǎn)的軟件部分設(shè)計(jì)也各有不同，如終端節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，路由節(jié)點(diǎn)側(cè)重于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，協(xié)調(diào)器需要與上位機(jī)通信等。上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要側(cè)重對(duì)采集到的最終數(shù)據(jù)的處理，能夠顯示處理結(jié)果和進(jìn)行相應(yīng)的提示和預(yù)警（見圖2）。

數(shù)據(jù)終端采集節(jié)點(diǎn)主要控制相關(guān)傳感器進(jìn)行物理量、化學(xué)量參數(shù)的采集，并周期性循環(huán)地將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一級(jí)融合，然后將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送給母節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖3所示。

本文在程序中將每個(gè)傳感器所測(cè)量的物理量、化學(xué)量參數(shù)代碼封裝成函數(shù)形式以方便調(diào)用。具體應(yīng)用中，可以直接利用這些函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取和計(jì)算，并將融合值發(fā)送出去?？紤]到冷庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能源消耗和各種環(huán)境參數(shù)變化較為緩慢，可以將數(shù)據(jù)周期性地發(fā)送出去，這在整個(gè)程序流程中加入延時(shí)程序即可以實(shí)現(xiàn)。

本文所涉及的硬件系統(tǒng)有兩種傳感器，即溫濕度傳感器和二氧化碳傳感器，它們都是通過(guò)I/O口模擬IIC協(xié)議進(jìn)行測(cè)量。本文對(duì)這兩種傳感器的測(cè)量程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

（1）溫濕度傳感器。

溫濕度傳感器的測(cè)量主要是利用IIC總線進(jìn)行命令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收，SHT10主要的命令集如表1所示。

溫濕度測(cè)量的程序流程如圖4所示。

首先通過(guò)復(fù)位時(shí)序進(jìn)行IIC總線的復(fù)位，然后發(fā)送啟動(dòng)時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的初始化，將命令集中的相應(yīng)命令指令寫進(jìn)傳感器即可讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，讀取出的數(shù)值再經(jīng)過(guò)公式計(jì)算就可以完成冷庫(kù)環(huán)境溫濕度物理量的測(cè)量。在I/O口模擬IIC通信的過(guò)程中最重要的是時(shí)序的模擬，利用與時(shí)鐘和數(shù)據(jù)總線相連的I/O口進(jìn)行高、低電平的切換和延時(shí)即可實(shí)現(xiàn)特定的時(shí)序。下面是部分通過(guò)I/O口模擬IIC協(xié)議的代碼：

#define SCK1 P0_5

#define DATA P0_7

P0DIR |= 0xA0;

DATA = 1; SCK1 = 0;

_nop_（）;

SCK1 = 1;

_nop_（）;

DATA = 0;

……

本系統(tǒng)中的溫濕度傳感器將P05和P07兩個(gè)I/O口分別作為時(shí)鐘線DATA和數(shù)據(jù)線SCK，SCK一直是由主控輸出，而DATA在寫和讀時(shí)分別作為輸出和輸入，因此在不同的操作中要進(jìn)行相應(yīng)的引腳配置。

（2）二氧化碳傳感器。

本系統(tǒng)中的二氧化碳傳感器和溫濕度傳感器一樣，利用I/O口模擬IIC協(xié)議進(jìn)行測(cè)量，其程序流程如圖5所示。

SGP30的測(cè)量流程與SHT10的測(cè)量流程類似，SGP30嚴(yán)格按照IIC協(xié)議的時(shí)序進(jìn)行傳輸，沒有特定的復(fù)位和啟動(dòng)傳輸時(shí)序，所有的功能都是通過(guò)寫具體的命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。SHT10沒有IIC地址，SGP30的地址為0x58。

SGP30的部分命令集如表2所示。

上位機(jī)開發(fā)使用C#語(yǔ)言進(jìn)行程序的實(shí)現(xiàn)，C#是由C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言衍生出的一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，它兼有C和C++的強(qiáng)大功能，但使用起來(lái)比這兩種語(yǔ)言要簡(jiǎn)單，易于上手。此外C#還具有VB的可視化操作，可以直接面向組件編程。上位機(jī)的開發(fā)環(huán)境選擇Visual Studio 2015，該開發(fā)環(huán)境可以支持多種語(yǔ)言的編譯，如C/C++/C#等主流編程語(yǔ)言，同時(shí)具有界面開發(fā)和其他功能相關(guān)的控件，能夠很好地進(jìn)行上位機(jī)界面的開發(fā)。

上位機(jī)的主要功能是進(jìn)行冷庫(kù)環(huán)境信息物理量、化學(xué)量參數(shù)的接收、存儲(chǔ)、處理、顯示、預(yù)警等，同時(shí)為了確保安全性，也需要具有密碼登錄等功能。上位機(jī)各功能的構(gòu)成如圖6所示。

上位機(jī)的主要流程如圖7所示。打開上位機(jī)軟件后，首先進(jìn)入登錄模塊，登錄模塊是為了確保整個(gè)上位機(jī)的安全，防止無(wú)關(guān)人員使用該軟件。如果輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中儲(chǔ)存的正確的工號(hào)和密碼，就可以進(jìn)入上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面，而如果輸入的信息與預(yù)設(shè)的不符，就會(huì)提醒重新輸入。

登錄成功后的上位機(jī)的界面設(shè)計(jì)如圖8所示?？紤]到使用串口通信，左側(cè)界面設(shè)置了串口開關(guān)以及波特率和串口的選擇，右側(cè)界面設(shè)置為冷庫(kù)環(huán)境監(jiān)測(cè)界面，ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)處理后的環(huán)境參數(shù)信息都是在這里顯示。本文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和軟件兼?zhèn)漕A(yù)警的功能，可以針對(duì)具體的儲(chǔ)藏物品的最適宜環(huán)境進(jìn)行各種參數(shù)的上下限區(qū)間設(shè)置，如果某一節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)一級(jí)融合后的某參數(shù)超過(guò)了該參數(shù)設(shè)置的區(qū)間，會(huì)彈出具體異常情況的預(yù)警框，同時(shí)會(huì)在提示信息框提示某節(jié)點(diǎn)顯示異常，提示工作人員進(jìn)行核對(duì)查看。如果經(jīng)過(guò)二級(jí)融合后參數(shù)仍然異常，說(shuō)明問題比較嚴(yán)重，系統(tǒng)就會(huì)直接彈出預(yù)警框告知存在某種參數(shù)異常，并在提示框進(jìn)行提示。系統(tǒng)在接收到數(shù)據(jù)后即自動(dòng)存儲(chǔ)，此外系統(tǒng)也對(duì)預(yù)警信息進(jìn)行存儲(chǔ)，為了方便查看，這些信息直接存儲(chǔ)在上位機(jī)中。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前冷庫(kù)所監(jiān)測(cè)的環(huán)境參數(shù)單一、數(shù)據(jù)傳輸方式不靈活、數(shù)據(jù)處理方式的抗干擾能力差等問題，以ZigBee技術(shù)作為系統(tǒng)的通信方式，進(jìn)行了冷庫(kù)環(huán)境溫濕度、二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。選擇CC2530作為系統(tǒng)的無(wú)線芯片，設(shè)計(jì)了相關(guān)硬件電路，并完成傳感器的選型;軟件方面，基于ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)的程序，對(duì)協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行具體的軟件設(shè)計(jì)，以及在終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)中包括傳感器數(shù)據(jù)采集的程序設(shè)計(jì);基于C#語(yǔ)言的上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，開發(fā)設(shè)計(jì)了上位機(jī)的具體界面。

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（編輯 王雪芬）