黃培（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院　徐州　221116）

冷鏈設(shè)備無線溫度控制系統(tǒng)研制

黃培
（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院徐州221116）

摘要設(shè)計(jì)了一種冷鏈設(shè)備無線溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由溫度采集模塊、無線中繼模塊、主控機(jī)軟件等部分組成。系統(tǒng)采用ATmega128L作為溫度采集基站控制器，基站和終端節(jié)點(diǎn)通過基于ZigBee的CC2420無線收發(fā)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，軟件系統(tǒng)匯總各節(jié)點(diǎn)傳來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)定的產(chǎn)品的溫度限制指標(biāo)，對冷鏈設(shè)備中溫度的變化進(jìn)行分析，如發(fā)現(xiàn)超標(biāo)和異常情況，系統(tǒng)將通過各種通信機(jī)制，發(fā)出預(yù)報警信息。該系統(tǒng)能夠滿足控制要求，且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，易于推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞冷鏈溫度檢測ATmega128L單片機(jī)ZigBee技術(shù)

一、引言

冷鏈（Cold chain）是指食品、特殊的生物制品和藥品在產(chǎn)品加工、貯藏、運(yùn)輸、分銷和零售、使用過程中，其各個環(huán)節(jié)始終處于產(chǎn)品所必需的特定低溫環(huán)境下，減少損耗，防止污染和變質(zhì)，以保證產(chǎn)品食品安全、生物安全、藥品安全的特殊供應(yīng)鏈系統(tǒng)［1］。但是目前冷鏈設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)卻依然沒有得到足夠的關(guān)注，我國的冷鏈設(shè)備溫度監(jiān)測手段主要由人工測量和紙面記錄來進(jìn)行，還沒有成形的統(tǒng)一的穩(wěn)定的系統(tǒng)技術(shù)做支持，也不能進(jìn)行監(jiān)測和報警、損失比較嚴(yán)重。近幾年發(fā)生的食品安全問題，血液、疫苗質(zhì)量問題讓人們觸目驚心，所以冷鏈設(shè)備各個環(huán)節(jié)的溫度監(jiān)測、控制刻不容緩。本文根據(jù)冷鏈系統(tǒng)需求采用ATmega128L作為溫度采集基站控制器，基站和終端節(jié)點(diǎn)通過基于ZigBee 的CC2420無線收發(fā)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對冷鏈設(shè)備中溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，如發(fā)現(xiàn)超標(biāo)和異常情況，系統(tǒng)將通過各種通信機(jī)制，發(fā)出預(yù)報警信息。

二、系統(tǒng)組成及工作原理

冷鏈設(shè)備無線監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時檢測冷鏈系統(tǒng)中各個設(shè)備的溫度。本系統(tǒng)主要由溫度采集模塊、中繼模塊、主控機(jī)軟件和其他的硬件電路組成。系統(tǒng)采用ATmega128L作為基站控制器，基站和終端節(jié)點(diǎn)通過基于ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的CC2420無線收發(fā)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

硬件主要由溫度采集模塊和中繼模塊兩部分組成。

1、溫度采集模塊

溫度采集模塊主要包括溫度傳感器、微處理器和無線發(fā)射芯片，如圖2所示。系統(tǒng)選擇PT100作為溫度傳感器，采用Atmel公司的ATmegal28L微控制器作為本模塊的微處理器電路，采用Chipcon公司的CC2420射頻收發(fā)器作為無線發(fā)射接收模塊的主芯片。系統(tǒng)要求溫度采用4路信號采樣，信號經(jīng)傳感器采集后通過A/D轉(zhuǎn)換處理，將冷鏈設(shè)備的實(shí)時溫度數(shù)據(jù)發(fā)射到無線中繼模塊。

（1）溫度傳感器電路

ATmegal28L是8位微控制器，是AVR系列目前中功能最強(qiáng)大的控制器。微處理器ATmega128L內(nèi)部自帶AD轉(zhuǎn)換電路［2］，與溫度傳感器PT100的連接如圖3所示。圖中的電阻R2為普通的限壓電阻，用于防止出現(xiàn)過壓或過流，以保護(hù)電路；電阻Rl為熱敏電阻。

（2）無線通信模塊電路

CC2420芯片是符合2.4 GHZ IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，它是基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，只需很少的外部元器件即實(shí)現(xiàn)，性能穩(wěn)定，而且功耗極低［3］。CC2420與ATmega128L處理器的連接比較簡便，與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令，ATmega128L處理器主要通過4線SPI總線（SO、CSn、SCLK、SI）來設(shè)置工作模式；使用RESET引腳來復(fù)位芯片［4］。ATmega128L微控制器的4個SPI接口：SS、MISO、SCLK、MO-SI，對應(yīng)CC2420無線收發(fā)芯片的4個SPI接口：CSn、SO、SCLK、SI［4］。無線收發(fā)芯片CC2420與微控制器ATmegal128L的連接圖如圖4所示。

2、無線中繼模塊

無線中繼模塊作為ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與局域網(wǎng)連接的橋梁，無線中繼模塊與溫度采集模塊的數(shù)據(jù)處理原理相似，它把接收到的信號進(jìn)行處理，處理方法主要是先經(jīng)過低噪聲放大器和正交下變頻成中頻信號，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后與主控機(jī)進(jìn)行連接，將溫度值發(fā)送給主控機(jī)。用戶可以通過主控機(jī)獲得系統(tǒng)各個節(jié)點(diǎn)的溫度值，實(shí)現(xiàn)溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制，并可以設(shè)置需要時報警的參數(shù)值［5］。其無線中繼模塊的原理框圖如圖5所示。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要包括主程序、發(fā)射端程序、接收端程序、溫度子程序、報警子程序、語音子程序、顯示子程序。在主程序的設(shè)計(jì)中，主要考慮主界面的簡單控制、用戶如何方便的訪問無線中繼模塊，改變其網(wǎng)絡(luò)配置，來加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性，使之方便用戶管理。其中，無線節(jié)點(diǎn)模塊的軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心。

1、數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收

數(shù)據(jù)發(fā)送必須遵循相關(guān)的通訊協(xié)議，發(fā)射機(jī)部分必須采用直接上變頻。根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號擴(kuò)頻后送到DAC變換器，然后再經(jīng)調(diào)制、放大后發(fā)射出去［6］。

接收部分使用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)答機(jī)制，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴．?dāng)發(fā)生以下情況后系統(tǒng)將宣布發(fā)生錯誤：在一定時間內(nèi)沒有收到應(yīng)答，數(shù)據(jù)將被重新發(fā)送，當(dāng)重發(fā)一定次數(shù)后接收方仍無應(yīng)答時。

2、網(wǎng)絡(luò)配置與網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)

因ZigBee技術(shù)具有自組網(wǎng)功能，所以本系統(tǒng)選用較成熟實(shí)用的星型網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。星型網(wǎng)絡(luò)是由Zig-Bee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個終端設(shè)備共同組成。

根據(jù)系統(tǒng)要求，為了方便各個模塊連接到系統(tǒng)設(shè)定的固定網(wǎng)絡(luò)中，主控機(jī)可以通過執(zhí)行孤立通知過程來查找之前的網(wǎng)絡(luò)，或者也可以執(zhí)行關(guān)聯(lián)過程來加入到另一個新網(wǎng)絡(luò)中。在執(zhí)行孤立通知過程時，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將通過查找它的鄰接表的方式來識別主控機(jī)。

3、ZigBee通信協(xié)議的設(shè)置

CC2420無線傳輸芯片中的功能框圖如圖6所示。

五、結(jié)論

從冷鏈設(shè)備無線監(jiān)控系統(tǒng)溫度采集模塊和無線中繼模塊的設(shè)計(jì)與各個模塊的實(shí)現(xiàn)方式入手，設(shè)計(jì)了一種行之有效、方便快捷、價格低廉的冷鏈溫度實(shí)時監(jiān)測方式。相應(yīng)的軟件系統(tǒng)匯總從各節(jié)點(diǎn)傳來的由溫度采集模塊采集來的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的產(chǎn)品的溫度限制指標(biāo)，對冷鏈設(shè)備中溫度的變化進(jìn)行分析，如發(fā)現(xiàn)超標(biāo)和異常情況，系統(tǒng)將通過各種通信機(jī)制，發(fā)出預(yù)報警信息。本系統(tǒng)具有實(shí)時、精確、方便、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

［1］朱輝.食品冷鏈物流配送管理研究［D］.上海交通大學(xué)，2008，15-18.

［2］Li W，Lai M Y.Performance Evaluation of Cold Chain Bansed on BP Neural Network［C］. Proceedings of the First International Conference on Transporta-tion Engineering，Changsha，2007：1-6.

［3］王洪軍.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的冷鏈溫度監(jiān)測系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱理工大學(xué)碩士論文，2011：03-01.

［4］Li J.Issues of Food-Related Cold-Chain Logistics Management in China［C］.Logistics Systems and Intelligent Management，2010 International Conference on，Harbin，2010：2-4.

［5］方妍.國內(nèi)外食品冷鏈物流發(fā)展現(xiàn)狀的比較分析［D］.對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，2009，22-25.

［6］王曉娟.冷鏈設(shè)備無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)采集模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.山東：中國海洋大學(xué)，2007，30-35.

The R&D of Monitoring System for the Wireless Temperature Control of Cold Chain Equipment

Huang Pei
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangsu Institute of Architectural TechnologyXuzhou221116）

AbstractA wireless temperature control system of cold chain equipment is designed. The system is composed of temperature acquisition module，wireless relay module，master control software and so on. The system uses ATmega128L as the base station controller，base station and terminal node through the CC2420 ZigBee wireless transceiver chip for data transmission，software system to collect the monitoring data of each node，and according to the set of product temperature limit index，the temperature of cold chain equipment analysis，if found excessive and abnormal situation，the system will send out the warning information. The system can meet the control requirements，and affordable，easy to promote the application.

KeywordsCold chainTemperature detectionATmega128L SCMZigBee the technology

中圖分類號TP212.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號160223-7207