基于ZigBee的冷链食品监控系统的设计与实现

基于ZigBee的冷库环境监测系统设计作者：王志明杨金鑫丁忠昌来源：《无线互联科技》2021年第09期摘要：文章以温湿度和二氧化碳浓度作为监测参数，选择CC2530作为系统节点的核心芯片，设计并实现了基于ZigBee技术的冷库环境监测系统;进行了其他相关硬件电路的设计，完成了节点的硬件设计;在硬件的基础上结合ZigBee协议栈对协调器、路由节点和终端节点的软件以及传感器采集数据程序进行了设计;最后对系统的上位机进行了设计与实现。

关键词：ZigBee; 冷库贮藏; 环境监测系统; 系统设计0 引言自从19世纪中叶制冷机出现后，将食品如水产品、肉类食品、乳制品、农产品等放置于冷冻、冷藏设备中贮藏成为食品保质保鲜的主要措施。

随着现代科学技术的迅猛发展，越来越多的新科技被应用到冷冻、冷藏设备中进行环境（温度、湿度等）监测，例如设备向智能化、控制远程化、参数多元化和操作的便捷简易化方向发展。

1987年加拿大安大略省园艺研究所Lauro等[1]对果蔬储藏温、湿度监测设备增加了气体浓度和其他相关参数的监测功能。

2004年韩国木浦国立大学Lim等[2]对冷库环境进行远程监控，采用有线方式进行了冷库温度的监测，开发了便捷简易的操作软件。

2016年葡萄牙波尔图大学Sousa等[3]设计的环境监测系统对冷库的温度、相对湿度、用电功耗和冷库门开关的状态等进行监测。

2016年印度蒂鲁吉拉伯利国立技术学院Kumar[4]利用无线通信方式对冷库的温湿度和气体浓度以及其他参数进行监测。

2017年印度蒂鲁吉拉伯利国立技术学院Sathish 等[5]运用ZigBee技术构建了无线传感器监测系统，除了监测常规温湿度之外，增加了光照强度监测，并通过模糊逻辑控制器实现参数的控制。

2017年印度班加罗尔工程学院Chandanashree等[6]运用物联网技术、嵌入式操作系统进行组网和各节点终端的开发。

在国内，2006年桂林工学院赵政春等[7-8]用CAN总线技术以及数字传感器进行冷库环境的监测，同时对大范围的冷库区域通过布置多个节点来得到更精确的测量结果。

农产品冷链配送监测系统的设计与实现王钧【摘要】针对农产品冷链配送环境难以得到有效保证这一问题,利用基于移动蜂窝通信的窄带物联网技术(NB-IoT)和无线传感器网络(WSN)技术,设计了农产品冷链配送监测系统.该系统利用传感器模块、继电器模块,实现了冷链配送车厢内环境信息的采集和设备的实时控制;以MSP430单片机和CC1101无线芯片为核心,搭建了WSN,实现了环境数据在终端节点和协调器节点的无线传输;利用基于移动蜂窝通信的NB-IoT,实现了本地环境数据的远程无线传输.基于浏览器/服务器(B/S)架构,设计了农产品冷链配送监测系统.通过该系统,完成了农产品冷链配送过程中环境数据的实时显示和存储,以及对相关设备工作状态的远程控制.测试结果表明,该系统虽然受到车厢内杂物和车厢本身对信号的影响,造成数据传输的丢包和时延,但仍能较好地满足农产品冷链配送的应用需求,实现了对农产品冷链配送车厢内各种环境信息的实时监测和设备的远程控制.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2018(039)010【总页数】5页(P15-19)【关键词】农产品;冷链配送;移动蜂窝通信;窄带物联网;无线传感器网络;浏览器/服务器架构【作者】王钧【作者单位】甘肃农业大学信息科学技术学院,甘肃兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】TH-39;TP2770 引言随着人们对食品安全的日益重视，冷链物流在农产品的流通环节中起到了非常关键的作用。

优质的冷链物流可以有效提高农产品的品质，增强产品的市场竞争力。

根据不完全统计，我国果蔬每年在整个物流环节中的损失约为25% ～30%［1］。

目前，冷链配送监测系统大多利用无线传感器网络和移动通信技术来传输采集的数据信息。

但无线传感器网络技术受制于传输距离，所采集的信息只能在近距离进行传输，无法实现农产品冷链配送车的远程监控。

与红外、蓝牙、无线传感器网络等短距离通信技术相比，移动通信技术虽具有覆范围大、可移动以及连接数量多等特点［2-3］，但该技术存在物与物连接能力不足的问题。

基于ZigBee技术的食品冷库环境监测报警系统设计王浩【摘要】随着无线传感网络技术的快速发展,本文设计一种基于ZigBee无线通信技术的食品冷库环境监测报警系统.监测报警系统由监测计算机、基于CC2530芯片的协调器和终端节点以及温湿度传感器组成.该系统能实时监测冷库中温湿度,完成无线传榆数据的动态显示及报警功能.与传统食品冷库监测报警系统相比,具有性能稳定,易于布设、维护、扩展等优点.【期刊名称】《泰山学院学报》【年(卷),期】2013(035)006【总页数】7页(P58-64)【关键词】食品冷库;ZigBee;CC2530芯片;监测报警【作者】王浩【作者单位】健雄职业技术学院软件与服务外包学院,江苏太仓 215411【正文语种】中文【中图分类】TP2730 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.［参考文献］［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. ［4］李静梅，杨鹏飞，关海洋.基于ZigBee 技术的体温采集系统的设计［J］.应用科技，2010，37(12):43－47.［5］杜治国，邓囊，吴少正.Zigbee 无线报警系统的设计与实现［J］.中国人民公安大学学报(自然科学版)，2010，16(2):83－85.［6］周岭松，余春暄.基于ZigBee 技术的温湿度控制系统［J］.电子测量技术，2011，34(6):47－50.［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.［8］郭涛，严家明.基于CC2430 的ZjgBee 无线数传模块设计［J］.微机处理，20l0(4):105－108.。

基于ZigBee的冷库温度无线监测系统的设计关键词：ZigBee,温度传感器,单片机,串行时钟,射频收发器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]。

基于ZigBee和RFID技术的冷链无线监控系统张学龙;李超;陈奇特;钟彦骞【期刊名称】《微计算机信息》【年(卷),期】2012(000)003【摘要】This article designed a temperature wireless real time monitoring system for food cold chain, which is based on Zigbee and RFID technologies, by the means of RFID Tag, Zigbee Networking, and thetelnet transferring technologies. This system uses radio to recognize special objects and read and write relative data. It has the features of low power, low cost and self-networking. It can monitor different vegetables of different requests of temperatures in the meantime. The system we designed, which can give an alarm to the cold chain vehicles from the GPRS module, can maximally limit the loss in cold chain logistics.%本文基于ZigBee和RFID技术，通过RFID标签和ZigBee组网，并结合远程网络传输技术，设计了食品冷链物流的温度无线实时监控系统。

本系统使用无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，具有低功耗、低成本和自组网的特点，可实现同时监控不同温度要求的蔬菜等食物品种。

基于ZigBee技术的果蔬冷链物流实时监测系统
冯贺平;吴梅梅;杨敬娜
【期刊名称】《江苏农业科学》
【年(卷),期】2017(045)006
【摘要】新鲜果蔬在运输过程中,因温度、相对湿度等原因而影响果蔬的新鲜程度,甚至会出现果蔬腐烂问题,从而造成巨大的经济损失.为了减少果蔬运输过程中的损耗,提高果蔬冷链物流信息化程度,提出以ZigBee协议为基础的无线传感器网路的果蔬冷链物流实时在线监控系统.系统采用CC2530片上系统构建ZigBee网络,实现对冷藏库温度、湿度的实时在线监控,路由器节点和协调器均采用CC2530.组网测试表明,该系统硬件结构简单,能够对温度、湿度进行可靠检测,从而最大限度地降低果蔬运输中的损失.
【总页数】3页(P219-221)
【作者】冯贺平;吴梅梅;杨敬娜
【作者单位】河北软件职业技术学院智能工程系,河北保定 071000;河北软件职业技术学院计算机工程系,河北保定 071000;河北软件职业技术学院智能工程系,河北保定 071000
【正文语种】中文
【中图分类】TP274;F252
【相关文献】
1.基于物联网技术的果蔬冷链物流实时监测系统
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3.基于物联网技术的果蔬冷链物流实时监测系统研究
4.基于ZigBee技术的窖池固态发酵温度实时监测系统
5.基于WSN的果蔬冷链物流实时监测系统研究
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