基于ZigBee-WSN白酒发酵过程温度监测系统的设计

（四川理工学院 自动化与电子信息学院，自贡 643000）

白酒发酵过程是中国的一种传统生产工艺，目前对于白酒发酵过程温度检测多数采用布线方式或是人工使用一些测量仪器，这样不能实时地反应发酵过程的动态变化特性，不能很好地满足发酵微生物的代谢条件，从而影响白酒的品质和生产效率。随着传感器技术、计算机技术、通信技术的发展，国内外有很多实现了在线监测[1]，大多数都是采用有线网络传输，这种方式可以实现在线监测，可是存在布线复杂、成本高、灵活性差和不可移动等缺点，难以推广应用。而采用ZigBee无线网络监测系统具有网络容量大、功耗低、成本低、传输可靠、易于安装等特点，将ZigBee网络运用到白酒发酵过程温度监测有着重要的意义。本文通过对白酒发酵池的不同深度和不同位置的温度进行数据实时采集，经过无线传感网络传输，完成节点间的通信，最后经过PC机进行数据存储、处理和显示，实现对白酒发酵池的温度进行实时的检测。

1 WSN-ZigBee介绍

无线传感网络技术WSM是将传感器技术、计算机技术和无线通信技术融为一体的大规模自组织网络[2]，通过传感器节点感知、采集和传输网络覆盖范围的感知对象的信息，各节点协同的将这些信息通过无线网络传输到网络的终端计算机进行处理和管理。该网络的体系结构主要是由传感节点、汇聚节点和管理点组成，将大量的具有采集、传输和收发功能的传感节点安放在监测区域内，各节点间通过专用的网络协议来实现信息的传输处理和汇聚，完成对监测区域内目标的跟踪和定位、探测和识别。传感节点通过自组织网络方式组成无线网络，且以多跳的方式在网络中传播感知信息[3]。汇聚节点最终将传感节点感知的信息经互联网发送给管理节点。

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的电子设备间。ZigBee协议由4层组成，其中物理层和介质访问层是由IEEE802.15.4标准定义，网络层和应用层由ZigBee联盟制定[4]。ZigBee有星型、网状和树状网络拓扑结构，系统采用星型网络结构，网络的终端由精简功能设备RFD组成，是终端节点；许多RFD连接到一个全功能的FFD上，此节点为路由节点；许多个RFD和FFD连接到一个FFD上面，该节点为协调器节点；实际应用中由于终端节点和协调器节点传输距离比较远，会影响数据的传输质量，可以适当地多增加一些路由节点，缩短传输间的距离并增强网络的稳定性。

2 系统的功能及结构设计

白酒窖池发酵温度监测系统主要是由ZigBee传感网络和终端PC机2大部分构成。ZigBee传感网络是由部署在窖池中不同位置的传感器终端节点、路由节点和协调器节点构成。根据以往的检测经验，窖池中不同深度的温度是不一样的，这里选择窖池酒醅的上、中、下3层安放传感器，负责对窖池不同位置的温度进行数据采集并处理传输；路由节点主要负责数据的存储和转发，可以实现传感终端节点和协调器节点间的通讯；协调器节点是将终端节点和路由节点采集的数据上传至PC机，数据经PC机存储和处理后最终显示给用户，完成发酵过程温度的实时在线监测。

本系统可以对ZigBee模块进行电路扩展，可以对多个窖池的发酵温度进行同时监测，CC2530芯片将不同的发酵窖池采集的参数数据经天线发射出去，通过ZigBee无线传感网络节点经路由节点传到协调器节点，协调器节点经RS-232串口与PC机相连，将各个节点参数传到PC机上，实现不同的发酵窖池在线实时监测。系统结构如图1所示。

图1 系统结构Fig.1 System structure diagram

3 系统硬件设计

3.1 采集节点的设计

采集节点是整个监测系统的核心，可以检测窖池中不同位置和不同深度的温度，进行数据处理和传输，主要由采集模块、微控制器模块和无线收发模块构成。温度采集使用数字式温度传感器DS18B20，微处理器采用CC2530无线射频收发芯片，对采集到的数据处理并发送出去。

3.2 路由节点设计

路由节点是允许网络加入、数据路由和辅助子节点通信，在网络中起到网关和网络控制作用。由于窖池发酵过程受诸多因素影响，终端采集节点环境复杂，采集到的数据会受很多障碍物的干扰，使得传输距离受到很大的限制，因而可以设计多个路由节点，实现终端节点跳跃式传输，这样路由节点就将终端节点和协调器节点连接起来，完成数据的传输，也扩展了网络的监控范围。

3.3 协调器节点的设计

协调器节点主要是由电源电路、串行接口电路、USB电路、时钟电路和CC2530控制电路组成，实现网络的维护和创建、数据传输等功能。系统上电后，协调器会选择一个信道，并选择一个网络号建立连接。由于协调器的外围电路比较多而且是处于一直工作的状态，所以可以选择电源供电或者容量大的电池供电，以保证能够长期工作[5]。由于协调器是CC2530与串口电路相结合，因此采用MAX3221CAE芯片实现串口电平转换。

4 系统的软件设计

系统的软件设计主要是由上位机管理软件和下位机ZigBee节点这2部分组成。本系统开发环境采用IAR Embedded Workbench for MCS-51，通信协议使用ZigBee 2006协议栈，开发语言使用C++。

4.1 终端采集节点的软件设计

终端采集节点成功加入网络是通过发现网络、提出请求，请求成功后就可以与协调器传输数据。具体过程是当系统上电后，先初始化ZigBee协议栈，然后扫描DEFAUT_CHANLIST指定的频道，搜寻协调器节点，当发现协调器节点的超帧信号时，就发出建网请求，若协调器允许加入，就成功入网，此时协调器就会分配一个专门的ID号，且将该节点的MAC地址和ID地址关联注册。终端采集节点加入网络是由ZigBee设备对象ZDO实现的，成功加入网络后，ZigBee协议栈的应用层APL会收到ZDO_STATE-CHANGE消息，此时网络状态是DEV_END_DEVICE。不同的传感器通过ZigBee协议栈中osal_start_timerEx（）定时函数周期对发酵窖池中的温度数进行采集，并将采集到的数据以无线方式发送到路由节点和协调器节点[6]。终端采集节点入网的具体流程如图2所示。

图2 终端采集节点流程Fig.2 Terminal acquisition node flow chart

4.2 协调器节点的软件设计

协调器节点上电后，首先完成ZigBee协议栈的初始化，对信道进行扫描和空闲信道评估等任务。然后选择合适的工作信道和网络标识符，启动Zig-Bee网络，并发送超帧，等待终端节点的连接请求。网络建立成功后，终端节点向协调器节点发送入网请求，协调器节点对其认证并发送允许加入命令，此时协调节点与终端节点绑定成功，网络状态为DEV_ZB_COOR[7]。此外，协调器节点会把终端节点的ID发送到管理中心PC机上。当协调器节点收到来自终端节点和路由节点的数据后，先调用osl_msg_receive（）函数从消息队列接收消息并通过switch-case语句判断消息ID，若消息ID是AF_INCOMING_MSG_CMD，ZigBee协议栈应用层APL调用GenericApp_MessageMSGCB（）函数将收到数据通过串口发至监控中心PC机，否则就丢弃数据。协调器节点流程如图3所示。

图3 协调器节点流程Fig.3 Coordinator node flow chart

5 系统的实验结果

将该系统应用在某酒厂的发酵过程中，通过PC处理采集到的数据并输出显示，因为可以同时监测好几个不同窖池的温度变化，所以给酒厂管理带来很大的方便，也节约了不少人力。图4所示为某一个窖池根据PC机采集到窖池上、中、下3层不同温度，经过相关软件处理后所绘制出来的变化曲线图，横坐标是采集温度的时间，纵坐标是温度扩大100倍的值，很直观地反应窖池内温度的变化情况。

图4 温度变化曲线Fig.4 Temperature change curve

6 结语

基于ZigBee-WSN传感网络的白酒发酵监测系统，将无线传感网络技术和计算机技术以及无线通讯技术紧密结合起来，实现成本低、传输效率高、准确率高、安全可靠的数据采集和传输，完成有效的发酵参数实时监测。同时该系统可以完成多个窖池的参数检测，能够实时地采集发酵过程参数，减少了大量的人员工作强度。此外如果协调节点和PC间通过GPRS传输，则可以实现远程的监测管理，也可以更换传感器节点应用在水质监测、空气监测等领域，具有很好的监测效果和广阔的应用前景。

[1]刘贞贤，陈祥光，赫永霞.一种新型的传感器网络[J].现代电子技术，2013，36（16）：18-20.

[2]李硕.无线传感器网络极大生命周期路由研究[D].江苏：苏州大学，2012.

[3]杨顺，刘士敏.基于ZigBee-WSN的啤酒发酵过程监测系统[J].计算机工程与设计，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]杨真.基于ZigBee的无线环境监测网络设计[D].浙江：浙江师范大学，2011.

[6]王晨辉，孟庆佳.基于PIC32和ZigBee的地质灾害监测系统设计[J].电子技术应用，2014，40（2）：68-70.

[7]袁洪芳，齐鹤，柯细勇，等.ZigBee无线传感网络在机泵智能监测中的应用[J].计算机工程与设计，2011，32（2）：535-538.