冷链设备无线温度控制系统研制

黄培（江苏建筑职业技术学院机电工程学院　徐州　221116）

冷链设备无线温度控制系统研制

黄培
（江苏建筑职业技术学院机电工程学院徐州221116）

摘要设计了一种冷链设备无线温度控制系统，该系统主要由温度采集模块、无线中继模块、主控机软件等部分组成。系统采用ATmega128L作为温度采集基站控制器，基站和终端节点通过基于ZigBee的CC2420无线收发芯片进行数据传输，软件系统汇总各节点传来的监测数据，并根据设定的产品的温度限制指标，对冷链设备中温度的变化进行分析，如发现超标和异常情况，系统将通过各种通信机制，发出预报警信息。该系统能够满足控制要求，且经济实惠，易于推广应用。

关键词冷链温度检测ATmega128L单片机ZigBee技术

一、引言

冷链（Cold chain）是指食品、特殊的生物制品和药品在产品加工、贮藏、运输、分销和零售、使用过程中，其各个环节始终处于产品所必需的特定低温环境下，减少损耗，防止污染和变质，以保证产品食品安全、生物安全、药品安全的特殊供应链系统［1］。但是目前冷链设备的温度控制系统却依然没有得到足够的关注，我国的冷链设备温度监测手段主要由人工测量和纸面记录来进行，还没有成形的统一的稳定的系统技术做支持，也不能进行监测和报警、损失比较严重。近几年发生的食品安全问题，血液、疫苗质量问题让人们触目惊心，所以冷链设备各个环节的温度监测、控制刻不容缓。本文根据冷链系统需求采用ATmega128L作为温度采集基站控制器，基站和终端节点通过基于ZigBee 的CC2420无线收发芯片进行数据传输，对冷链设备中温度进行实时监测，如发现超标和异常情况，系统将通过各种通信机制，发出预报警信息。

二、系统组成及工作原理

冷链设备无线监控系统可以实时检测冷链系统中各个设备的温度。本系统主要由温度采集模块、中继模块、主控机软件和其他的硬件电路组成。系统采用ATmega128L作为基站控制器，基站和终端节点通过基于ZigBee协调器节点的CC2420无线收发芯片进行数据传输，无线温度传感器网络的组网方式采用网状拓扑结构实现。系统框图如图1所示：

三、系统的硬件设计与实现

硬件主要由温度采集模块和中继模块两部分组成。

1、温度采集模块

温度采集模块主要包括温度传感器、微处理器和无线发射芯片，如图2所示。系统选择PT100作为温度传感器，采用Atmel公司的ATmegal28L微控制器作为本模块的微处理器电路，采用Chipcon公司的CC2420射频收发器作为无线发射接收模块的主芯片。系统要求温度采用4路信号采样，信号经传感器采集后通过A/D转换处理，将冷链设备的实时温度数据发射到无线中继模块。

（1）温度传感器电路

ATmegal28L是8位微控制器，是AVR系列目前中功能最强大的控制器。微处理器ATmega128L内部自带AD转换电路［2］，与温度传感器PT100的连接如图3所示。图中的电阻R2为普通的限压电阻，用于防止出现过压或过流，以保护电路；电阻Rl为热敏电阻。

（2）无线通信模块电路

CC2420芯片是符合2.4 GHZ IEEE802.15.4标准的射频收发器，它是基于Chipcon公司的SmartRF03技术，只需很少的外部元器件即实现，性能稳定，而且功耗极低［3］。CC2420与ATmega128L处理器的连接比较简便，与CC2420交换数据、发送命令，ATmega128L处理器主要通过4线SPI总线（SO、CSn、SCLK、SI）来设置工作模式；使用RESET引脚来复位芯片［4］。ATmega128L微控制器的4个SPI接口：SS、MISO、SCLK、MO-SI，对应CC2420无线收发芯片的4个SPI接口：CSn、SO、SCLK、SI［4］。无线收发芯片CC2420与微控制器ATmegal128L的连接图如图4所示。

2、无线中继模块

无线中继模块作为ZigBee协调器节点与局域网连接的桥梁，无线中继模块与温度采集模块的数据处理原理相似，它把接收到的信号进行处理，处理方法主要是先经过低噪声放大器和正交下变频成中频信号，再转换成数字信号，然后与主控机进行连接，将温度值发送给主控机。用户可以通过主控机获得系统各个节点的温度值，实现温度的远程监测和控制，并可以设置需要时报警的参数值［5］。其无线中继模块的原理框图如图5所示。

四、系统软件设计

系统程序主要包括主程序、发射端程序、接收端程序、温度子程序、报警子程序、语音子程序、显示子程序。在主程序的设计中，主要考虑主界面的简单控制、用户如何方便的访问无线中继模块，改变其网络配置，来加强系统的安全性，使之方便用户管理。其中，无线节点模块的软件设计是本系统软件设计的核心。

1、数据的发送与接收

数据发送必须遵循相关的通讯协议，发射机部分必须采用直接上变频。根据IEEE 802.15.4标准，要发送的数据信号扩频后送到DAC变换器，然后再经调制、放大后发射出去［6］。

接收部分使用IEEE 802.15.4标准的应答机制，从而保证数据传输的可靠性。当发生以下情况后系统将宣布发生错误：在一定时间内没有收到应答，数据将被重新发送，当重发一定次数后接收方仍无应答时。

2、网络配置与网络关联

因ZigBee技术具有自组网功能，所以本系统选用较成熟实用的星型网络方式进行数据传输。星型网络是由Zig-Bee协调器节点和多个终端设备共同组成。

根据系统要求，为了方便各个模块连接到系统设定的固定网络中，主控机可以通过执行孤立通知过程来查找之前的网络，或者也可以执行关联过程来加入到另一个新网络中。在执行孤立通知过程时，ZigBee协调器节点将通过查找它的邻接表的方式来识别主控机。

3、ZigBee通信协议的设置

CC2420无线传输芯片中的功能框图如图6所示。

五、结论

从冷链设备无线监控系统温度采集模块和无线中继模块的设计与各个模块的实现方式入手，设计了一种行之有效、方便快捷、价格低廉的冷链温度实时监测方式。相应的软件系统汇总从各节点传来的由温度采集模块采集来的监测数据，并根据系统设定的产品的温度限制指标，对冷链设备中温度的变化进行分析，如发现超标和异常情况，系统将通过各种通信机制，发出预报警信息。本系统具有实时、精确、方便、可靠等优点。

参考文献

［1］朱辉.食品冷链物流配送管理研究［D］.上海交通大学，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］王洪军.基于无线传感器网络的冷链温度监测系统的研究［D］.哈尔滨理工大学硕士论文，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.国内外食品冷链物流发展现状的比较分析［D］.对外经济贸易大学，2009，22-25.

［6］王晓娟.冷链设备无线温度监控系统采集模块的设计与实现［D］.山东：中国海洋大学，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

中图分类号TP212.1+1

文献标识码A

文章编号160223-7207