基于ZigBee-WSN白酒發酵過程溫度監測系統的設計

（四川理工學院 自動化與電子信息學院，自貢 643000）

白酒發酵過程是中國的一種傳統生產工藝，目前對于白酒發酵過程溫度檢測多數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發酵過程的動態變化特性，不能很好地滿足發酵微生物的代謝條件，從而影響白酒的品質和生產效率。隨著傳感器技術、計算機技術、通信技術的發展，國內外有很多實現了在線監測[1]，大多數都是采用有線網絡傳輸，這種方式可以實現在線監測，可是存在布線復雜、成本高、靈活性差和不可移動等缺點，難以推廣應用。而采用ZigBee無線網絡監測系統具有網絡容量大、功耗低、成本低、傳輸可靠、易于安裝等特點，將ZigBee網絡運用到白酒發酵過程溫度監測有著重要的意義。本文通過對白酒發酵池的不同深度和不同位置的溫度進行數據實時采集，經過無線傳感網絡傳輸，完成節點間的通信，最后經過PC機進行數據存儲、處理和顯示，實現對白酒發酵池的溫度進行實時的檢測。

1 WSN-ZigBee介紹

無線傳感網絡技術WSM是將傳感器技術、計算機技術和無線通信技術融為一體的大規模自組織網絡[2]，通過傳感器節點感知、采集和傳輸網絡覆蓋范圍的感知對象的信息，各節點協同的將這些信息通過無線網絡傳輸到網絡的終端計算機進行處理和管理。該網絡的體系結構主要是由傳感節點、匯聚節點和管理點組成，將大量的具有采集、傳輸和收發功能的傳感節點安放在監測區域內，各節點間通過專用的網絡協議來實現信息的傳輸處理和匯聚，完成對監測區域內目標的跟蹤和定位、探測和識別。傳感節點通過自組織網絡方式組成無線網絡，且以多跳的方式在網絡中傳播感知信息[3]。匯聚節點最終將傳感節點感知的信息經互聯網發送給管理節點。

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術，主要應用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的電子設備間。ZigBee協議由4層組成，其中物理層和介質訪問層是由IEEE802.15.4標準定義，網絡層和應用層由ZigBee聯盟制定[4]。ZigBee有星型、網狀和樹狀網絡拓撲結構，系統采用星型網絡結構，網絡的終端由精簡功能設備RFD組成，是終端節點；許多RFD連接到一個全功能的FFD上，此節點為路由節點；許多個RFD和FFD連接到一個FFD上面，該節點為協調器節點；實際應用中由于終端節點和協調器節點傳輸距離比較遠，會影響數據的傳輸質量，可以適當地多增加一些路由節點，縮短傳輸間的距離并增強網絡的穩定性。

2 系統的功能及結構設計

白酒窖池發酵溫度監測系統主要是由ZigBee傳感網絡和終端PC機2大部分構成。ZigBee傳感網絡是由部署在窖池中不同位置的傳感器終端節點、路由節點和協調器節點構成。根據以往的檢測經驗，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，負責對窖池不同位置的溫度進行數據采集并處理傳輸；路由節點主要負責數據的存儲和轉發，可以實現傳感終端節點和協調器節點間的通訊；協調器節點是將終端節點和路由節點采集的數據上傳至PC機，數據經PC機存儲和處理后最終顯示給用戶，完成發酵過程溫度的實時在線監測。

本系統可以對ZigBee模塊進行電路擴展，可以對多個窖池的發酵溫度進行同時監測，CC2530芯片將不同的發酵窖池采集的參數數據經天線發射出去，通過ZigBee無線傳感網絡節點經路由節點傳到協調器節點，協調器節點經RS-232串口與PC機相連，將各個節點參數傳到PC機上，實現不同的發酵窖池在線實時監測。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構Fig.1 System structure diagram

3 系統硬件設計

3.1 采集節點的設計

采集節點是整個監測系統的核心，可以檢測窖池中不同位置和不同深度的溫度，進行數據處理和傳輸，主要由采集模塊、微控制器模塊和無線收發模塊構成。溫度采集使用數字式溫度傳感器DS18B20，微處理器采用CC2530無線射頻收發芯片，對采集到的數據處理并發送出去。

3.2 路由節點設計

路由節點是允許網絡加入、數據路由和輔助子節點通信，在網絡中起到網關和網絡控制作用。由于窖池發酵過程受諸多因素影響，終端采集節點環境復雜，采集到的數據會受很多障礙物的干擾，使得傳輸距離受到很大的限制，因而可以設計多個路由節點，實現終端節點跳躍式傳輸，這樣路由節點就將終端節點和協調器節點連接起來，完成數據的傳輸，也擴展了網絡的監控范圍。

3.3 協調器節點的設計

協調器節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，實現網絡的維護和創建、數據傳輸等功能。系統上電后，協調器會選擇一個信道，并選擇一個網絡號建立連接。由于協調器的外圍電路比較多而且是處于一直工作的狀態，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]。由于協調器是CC2530與串口電路相結合，因此采用MAX3221CAE芯片實現串口電平轉換。

4 系統的軟件設計

系統的軟件設計主要是由上位機管理軟件和下位機ZigBee節點這2部分組成。本系統開發環境采用IAR Embedded Workbench for MCS-51，通信協議使用ZigBee 2006協議棧，開發語言使用C++。

4.1 終端采集節點的軟件設計

終端采集節點成功加入網絡是通過發現網絡、提出請求，請求成功后就可以與協調器傳輸數據。具體過程是當系統上電后，先初始化ZigBee協議棧，然后掃描DEFAUT_CHANLIST指定的頻道，搜尋協調器節點，當發現協調器節點的超幀信號時，就發出建網請求，若協調器允許加入，就成功入網，此時協調器就會分配一個專門的ID號，且將該節點的MAC地址和ID地址關聯注冊。終端采集節點加入網絡是由ZigBee設備對象ZDO實現的，成功加入網絡后，ZigBee協議棧的應用層APL會收到ZDO_STATE-CHANGE消息，此時網絡狀態是DEV_END_DEVICE。不同的傳感器通過ZigBee協議棧中osal_start_timerEx（）定時函數周期對發酵窖池中的溫度數進行采集，并將采集到的數據以無線方式發送到路由節點和協調器節點[6]。終端采集節點入網的具體流程如圖2所示。

圖2 終端采集節點流程Fig.2 Terminal acquisition node flow chart

4.2 協調器節點的軟件設計

協調器節點上電后，首先完成ZigBee協議棧的初始化，對信道進行掃描和空閑信道評估等任務。然后選擇合適的工作信道和網絡標識符，啟動Zig-Bee網絡，并發送超幀，等待終端節點的連接請求。網絡建立成功后，終端節點向協調器節點發送入網請求，協調器節點對其認證并發送允許加入命令，此時協調節點與終端節點綁定成功，網絡狀態為DEV_ZB_COOR[7]。此外，協調器節點會把終端節點的ID發送到管理中心PC機上。當協調器節點收到來自終端節點和路由節點的數據后，先調用osl_msg_receive（）函數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協議棧應用層APL調用GenericApp_MessageMSGCB（）函數將收到數據通過串口發至監控中心PC機，否則就丟棄數據。協調器節點流程如圖3所示。

圖3 協調器節點流程Fig.3 Coordinator node flow chart

5 系統的實驗結果

將該系統應用在某酒廠的發酵過程中，通過PC處理采集到的數據并輸出顯示，因為可以同時監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，也節約了不少人力。圖4所示為某一個窖池根據PC機采集到窖池上、中、下3層不同溫度，經過相關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，很直觀地反應窖池內溫度的變化情況。

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

6 結語

基于ZigBee-WSN傳感網絡的白酒發酵監測系統，將無線傳感網絡技術和計算機技術以及無線通訊技術緊密結合起來，實現成本低、傳輸效率高、準確率高、安全可靠的數據采集和傳輸，完成有效的發酵參數實時監測。同時該系統可以完成多個窖池的參數檢測，能夠實時地采集發酵過程參數，減少了大量的人員工作強度。此外如果協調節點和PC間通過GPRS傳輸，則可以實現遠程的監測管理，也可以更換傳感器節點應用在水質監測、空氣監測等領域，具有很好的監測效果和廣闊的應用前景。

[1]劉貞賢，陳祥光，赫永霞.一種新型的傳感器網絡[J].現代電子技術，2013，36（16）：18-20.

[2]李碩.無線傳感器網絡極大生命周期路由研究[D].江蘇：蘇州大學，2012.

[3]楊順，劉士敏.基于ZigBee-WSN的啤酒發酵過程監測系統[J].計算機工程與設計，2013，34（12）：4410-4414.

[4]Muhammad Yasir，Ammar J Malik.Body to body network using ZigBee[C]//IEEE 3rd International Conference on Communication Software and Networks，2011：52-55.

[5]楊真.基于ZigBee的無線環境監測網絡設計[D].浙江：浙江師范大學，2011.

[6]王晨輝，孟慶佳.基于PIC32和ZigBee的地質災害監測系統設計[J].電子技術應用，2014，40（2）：68-70.

[7]袁洪芳，齊鶴，柯細勇，等.ZigBee無線傳感網絡在機泵智能監測中的應用[J].計算機工程與設計，2011，32（2）：535-538.