0 引言

新鲜水果和蔬菜是人们日常所必需维生素、矿物质及膳食纤维的重要来源,近年来随着中国人均收入和消费能力的增长,人民对生鲜蔬果农产品的品质有越来越高的要求。但是,果蔬由于自身的特点,一般含水量都比较高,在存放的时候就容易发生变质、腐烂,使它们的品质大打折扣,降低了它们的商业价值和品质,所以农产品在采摘后的储存和转运过程中的保鲜处理变得尤为重要。对于果蔬的保存有多种方法,例如:防腐剂保鲜技术、涂膜贮藏保鲜技术、辐照处理保鲜技术以及冷藏存储技术等[1]。目前,低温贮藏法是采用最为广泛的储藏方法,也可以说是一种传统的贮藏方法。但是不同的果蔬因为自身特点不同,对于所需求的保鲜温度要求不同。所以,在冷藏不同的果蔬时需要注意冷藏的温度,对于不同的果蔬需要严格采用不同的温度进行分类冷藏,以免温度过低冻坏或者温度过高达不到保鲜的效果。所以本文基于ZigBee技术,采用了无线传感器网络,通过在冷藏场所内设置多个传感器节点,每一个传感器节点可以采集该点的温度数据,再通过无线的方式把这些数据传到汇聚节点,对这些数据处理后就可实时获取监测场所内的温度信息。

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议,因具有短距离、低功耗、低速率、低成本等特点,可以用在传输速率要求不高的电子设备之间的数据传输,适用于小范围的无线传感网络[2]。本文设计的基于ZigBee的无线监控系统,解决了传统监控系统中布局复杂,功耗高等诸多不利因素,可以实时远程监测果蔬存储场所不同位点的温度,在大规模果蔬存储的情况下,也能监测各处温度,大大减少人力的投入

图1 监控系统框图 

Fig.1 Schematic of the supervisory system

图2 仓库节点硬件单元组成   

Fig.2 The hardware module composition of the warehouse node

1 系统总体框架结构

本文设计的基于ZigBee无线传感器网络的远程监控系统主要由上位机、汇聚节点和传感器节点3部分组成,其框架结构如图1所示。各个传感器节点之间通过ZigBee技术组成的星型拓扑结构的无线传感网来连接,将采集的监测数据发送到汇聚节点,上位机采用RS-485串行通讯,把汇聚节点与上位机监控程序进行总线连接。温度信息能够实时传送,可以实现对温度的周期查询[3]。在上位机中,利用地图形式显示存储场所各个节点的位置,该位置出的温度就可以实时反应出来。可以事先设置每个节点的温度阈值,当温度正常时,节点显示为绿色。当现场温度超出阈值时,显示为红色,当低于阈值时,显示为紫色。这样就可以根据各节点的颜色来判断现场的温度分布情况,一目了然[4]。

1.1 各节点硬件结构

分布于存储场所不同位置的节点,其主体采用Chipcon公司生产的CC2430芯片,在其周围附加温度传感器、电源以及调试接口,构成一个个独立的节点单元,其结构单元如图2所示。

节点的硬件选择TI公司的CC2430芯片,外围附加直流电源、温度传感器以及调试端口,如图2所示。CC2430是一颗真正的系统芯片(SoC) CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHz ISM波段应用,及对低成本,低功耗的要求[5]。它结合一个高性能2.4GHz DSSS (直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430的设计结合了8Kbyte的RAM及强大的外围模块,并且有3种不同的版本,它们是根据不同的闪存空间32kByte、64 kByte和128kByte来优化复杂度与成本的组合。

图3 仓库节点温度检测电路   

Fig.3 Temperature measurement circuit for warehouse node

图4 移动节点温度检测电路   

Fig.4 Temperature measurement circuit for warehouse node

温度传感器采用DS18B20数字温度传感器,DS18B20单线数字温度传感器,即“一线器件”,与微处理器连接如图3所示。

本温度检测电路工作在寄生电源供电方式下,DS18B20从单线信号线上汲取能量:在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里,在信号线处于低电平期间通过消耗储存在内部电容里的电能工作,直到高电平到来再给寄生电源(电容)充电。这种独特的寄生电源方式有3个好处:进行远距离测温时,无需使用本地电源;可以在不设常规电源的条件下读取ROM;设计电路更加简洁,仅用一根1/O口实现测温。

1.2 物流移动车辆的节点温度采集

该系统借助移动通信网络、Internet和无线传感网络的互联,利用ZigBee无线传感网络将终端节点采集到的数据,经GPRS网络发送到中心节点,再经中心节点到上位机,实现移动车辆温度监测的效果[6]。节点温度采集器件仍然选用DS18B20,电路设计如图4所示。

2 系统的软件构成

系统的软件主要由系统网络体系、通信协议栈和上位机应用软件3部分组成。

图5 上位机监控终端 

Fig.5 The monitoring terminal of the upper computer

2.1 系统的网络构架

网络的拓扑结构有很多种,主要有蜂窝状结构、网状结构、星型结构、树型结构、环型结构、分布式结构、总线结构等。其中,星型网络中所有节点都只能与协调器(协调节点)通信,且必须在协调器的射频范围内通信,按照协调器的理论计算,它的连接数量的上限是216-1个。由于本监控系统节点数量相对较少,移动节点所占数量很少,所以本系统选用树形网络拓扑结构,数据采集由终端节点承担,路由节点主要完成数据转发。树形拓扑中的各节点将数据逐级上传,直至汇聚节点。

2.2 协议栈介绍

节点的软件以符合Zigbee协议栈规范的一个硬件和软件平台Z-Stack为基础,使用IAR开发,然后植入传感器的信息采集函数,最后加入应用层函数完成。Z-Stack协议栈,相当于一个小型的操作系统,以小任务轮询形式运行,各任务的时间标志位触发各个任务的模块。对于温度数据的读取,由应用层里面的传感器驱动函数实现。

2.3 上位机应用软件

上位机的应用软件用C++面向对象语言编写。上位机通过串口和汇聚节点相连,完成数据接收、处理、显示等功能,其拓扑结构如图5所示。

网络拓扑结构显示部分内部仓库地图,各个节点按照所在位置在其中对照放置,如此便可以树形的拓扑结构显示。当节点检测到某位置温度异常时,网络显示图中该节点变色。某节点温度正常节点显示常色,该节点温度过低时网络显示变为橙色。

2.4 温度检测软件

DS18B20的分辨率可设定为9到12位,本系统采用12位分辨率,转换精度为0.0625℃,转换温度信号单次占用时间最大值为750ms。温度数据由双字节组成,存储采用二进制补码的形式,1位为符号位,中间7位为整数部分,低4位为小数部分。DS18B20高速暂存器RAM由9个字节的存储器组成,第0～1个字节用作温度的数据显示。通过相应的功能指令来完成对温度数据的采集和读取,所有读写操作都是通过与CC2430的输入、输出接口完成。

3 低功耗设计

在本系统设计中,由于选择电池作为个各监测点的能源供应,因此尽量降低功耗是非常重要的设计目标。在冷链物流及仓库存储时,理论上说信号可以到达所有位置,但是,随之带来的大功耗会导致经常更换电池。这样就缩短了节点的使用周期,整个系统的稳定性也会下降。从降低节点功耗的角度考虑,在对节点设计时,选用芯片设置休眠机制,每过一段时间,终端节点就被系统唤醒一次发送数据,接着再进入休眠模式以节约能量。路由节点和汇聚节点不能进入休眠模式。

4 测试结果

系统中各节点按照要求安装在仓库指定位置,整个系统组网顺利并能够按照要求完成通信。测试结果表明,在空间无阻挡条件下,数据的传输距离可以达到40m;在空间有障碍时(如阻挡墙),传输距离也能达到10m,两种条件下没有丢包现象发生,数据的发送正常。通信过程中最大传输速率为每秒30个字节。终端节点采用低功耗设计后,节点工作的实际电流为6mA左右,如果节点持续工作,时间能够达到一周以上。

5 结语

本文基于ZigBee无线传感技术设计制作了果蔬仓储物流温度监控系统,该系统充分利用CC2430芯片的特点设计了主从节点,整个系统硬件结构精简、体积小、能耗低,所组成的无线传感网络具有自组织、自适应等特点。利用所设计的系统进行实验调试,结果表明,该系统达到了设计要求,效果良好。鉴于无线传感网络技术具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好、实现成本低等诸多优点,该系统可广泛应用于生产生活的各个领域,尤其适用于数字家庭、智能大厦温度控制、小区安防监测等物联网工程当中,具有较好的通用性和应用前景。