基于ZigBee的羊肉冷链温度监测系统的设计

冯旭，李志刚*

（石河子大学信息科学与技术学院，新疆 石河子 832003）

近年来，随着我国城乡居民生活水平的提高，人们的消费观念及膳食结构已发生改变，羊肉因其具有高蛋白、低脂肪、低胆固醇、营养丰富、易消化等优点而备受青睐[1-2]，但羊肉在运输过程中易发生腐败变质等质量安全问题。羊肉的质量安全取决于其整个供应链，即羊肉在生产、贮藏、运输、销售等各个环节中始终处于规定的低温环境[3]。如何对羊肉冷链运输过程中温度进行监控是目前的一个难点，因此，研究和设计羊肉冷链温度监测系统，对保障羊肉的质量安全具有重要意义。

ZigBee技术是无线传感网（wirelesssensor network，WSN）的核心技术之一[4]，它结合了通信技术、计算机网络技术、传感器技术和嵌入式技术等多种先进技术，具有低复杂、低数据速率、低成本、低功耗等优点[5]，其节点体积小，能够自动完成组网，在钢铁行业、煤矿行业甚至是智能家居等方面有着广泛的应用，在冷链物流中也有广泛应用。2006年德国学者Reiner Jedermann[6]等使用MSP430控制芯片和CC2420无心芯片设计针对冷链配送系统的ZigBee监测系统，解决了第1代产品不具有实时监控功能的问题。2008年、2009年西班牙学者Luis Ruiz-Garcia[7-8]等对应用于水果冷链运输车的无线传感器网络监测设备进行了探索性的研究。邵赫灵[9]等以冷链物流为研究对象，基于ZigBee无线传感网络和GPS定位技术，设计了冷链运输车的远程监控系统，此系统可以对整个物流运输过程实施数据的动态采集、传输和报警，从而实现管理者对车辆的有效控制和调度。刘亮[10]等通过对冷链监测系统的国内外研究现状进行对比和分析，提出了基于ZigBee和GPRS的冷链监测系统方案，该系统主要由采集节点和主控节点构成，通过各个采集节点来获取被监测对象的温度等数据，利用ZigBee方式将数据都汇集到主控节点，主控节点将数据存储到本地的SD卡中以作备份，同时通过GPRS网络把收集到的温度等数据传递到远程监控中心。这些学者对ZigBee在冷链物流中应用的研究为本文羊肉冷链温度监测系统的设计提供了理论依据。

本文针对羊肉冷链运输过程中温度数据的实时监测的难点，设计了基于ZigBee的无线传感网络温度监测系统，实现了车厢内温度的实时采集与监测，保障了羊肉运输过程中的质量安全。

1 羊肉冷链温度监测系统框架设计

羊肉冷链温度监测系统主要以ZigBee无线传感网络为主，该系统主要由多个终端节点、一个协调节点、GPRS远程传输模块和上位机组成，如图1所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 Overall structure diagram of the system

羊肉冷链温度监测系统的主要运行流程如下：终端节点采集数据并将采集的数据通过ZigBee无线传感网络传输至协调节点，协调节点将接收的数据通过通过串口发送至GPRS模块。GPRS是一种远距传输技术，通过GPRS模块可以将采集的温度数据实时地传输至上位机，实现对羊肉冷链运输过程中温度的实时监测。

2 羊肉冷链温度监测系统硬件设计

在羊肉冷链运输过程中，温度是影响其质量安全的一个最重要的因素，因此，在进行羊肉冷链温度监测系统硬件设计时首先需要对羊肉在冷链运输过程中的特性进行研究与分析，然后再根据羊肉的特性对系统的硬件进行设计。

2.1 羊肉冷链运输特性分析

羊肉在冷链物流中主要以冷鲜肉和冷冻肉两种贮藏方式进行运输。冷鲜肉和冷冻肉都有各自的优缺点，选择何种贮藏方式对系统有很大的影响。

冷鲜肉是指将畜禽按国家检疫相关制度和规范进行屠宰[11]，并将屠宰后胴体迅速冷却处理[12]，使胴体的温度降至0-4℃，在后续的加工、运输和销售过程中使肉的温度始终保持在0-4℃范围内[13]。由于冷鲜肉在整个冷链过程中始终处于0-4℃之间，使得冷鲜肉具有鲜嫩多汁、富有弹性、味道鲜美等特点，且保留了绝大部分能够被人体吸收的营养成分，因而深受广大消费者的喜爱。

冷冻肉是指将肉处于-28℃以下的低温环境下，使其中心温度达到-18℃左右，并在此条件下冻结贮藏。由于大多数微生物在-18℃的低温条件下生长繁殖都受到了极大的抑制，因此冷冻肉的贮藏期很长。但是，肉在-18℃的低温条件下贮藏的同时细胞内的水分也会形成冰晶，大量冰晶的形成，破坏了细胞的组织结构，造成肉中的蛋白质变性、脂肪氧化等问题，使肉的质量下降。在冷冻肉解冻时，冰晶的融化也导致了肉中汁液的析出，使得肉的口感、颜色的等品质下降。

表1为冷鲜肉和冷冻肉的优缺点比较。

表1 冷鲜肉与冷冻肉的优缺点比较Tab.1 The advantages and disadvantages of cold meat and frozen meat

从表1可知：虽然冷冻肉贮藏期较长，但肉的品质相对于冷鲜肉有较大的下降，并且由于冷冻温度低，使得冷链运输过程中温度控制难度大，也造成了流通成本的上升。相比之下，冷鲜肉在冷链运输过程中温度始终处于0-4℃，温度的控制难度大大地降低，并且肉的品质能够较好地保存。因此，冷鲜肉被认为是质量最好、品质最优的一种产品形式[14]，本文将采用冷鲜羊肉为研究对象。

2.2 ZigBee无线传感网络组织形式设计

ZigBee无线传感网络是羊肉冷链温度监测系统中的核心，在对系统的硬件进行设计时，首先需要对ZigBee无线传感网络的组网形式进行分析与设计。

ZigBee无线传感网络的拓扑形式主要有星型结构、树型结构、网状型结构 3种[3]，3种拓扑形式如图2所示。

星型网络是由一个协调点和一个或多个终端节点组成的网络，在这种网络中终端节点只能和协调器节点进行数据传输，而协调器节点则主要负责选择一个信道和一个网络PAN ID，然后启动整个网络。由于这种拓扑结构简单，因此，常用于节点数量较少的区域。

树型拓扑结构由一个协调器节点、多个路由器节点和多个终端节点组成，子节点的路由器也可以再连接下级的路由器节点和终端节点，此达到了成千上万级。这种网络在保持星型拓扑网络简单性的同时，还能实现较大范围的网络覆盖，比较适合较大的应用场合。

网状拓扑网络是一种自由拓扑网络，也是由一个协调器节点、多个路由器节点和多个终端节点组成，在网状拓扑网络中协调节点和路由节点都可以与网络范围内的其它节点通信，与树型结构相比，有相当高的环境适应能力。

树型拓扑结构或网状拓扑结构适用于较大的应用场合，并且结构复杂，不适用监测区域较小的冷藏车。因此，文本采用星型拓扑结构作为ZigBee的组网形式。

图2 3种网络拓扑星型结构(a)、型结构(b)和网状型结构(c)示意图Fig.2 There network topology diagrams

2.3 系统硬件设计

羊肉冷链温度监测系统主要分为终端采集部分和协调节点部分，下面将对系统的终端采集部分和协调节点部分的硬件设计进行详细介绍。

（1）终端采集部分的主要任务是对冷藏车的温度进行采集，并将采集的温度数据通过ZigBee无线传感网络传输至协调节点。在终端采集部分硬件设计时首先对终端采集部分整体结构图进行设计，然后根据终端采集部分的主要任务和羊肉在冷链运输中的特性要求选择合适的ZigBee芯片和温度传感器，最后对终端采集部分的硬件进行设计。

图3 终端采集部分整体结构图Flag.3 Overall structure diagram of terminal acquisition part

从图3可以看出：终端采集部分主要由温度传感器、ZigBee开发板构成，而微控制器、无线收发模块、天线及电池则是ZigBee开发板的主要组成部分。

ZigBee开发板有多种型号，本文选用CC2530型号的开发板。选用CC2530开发板的原因除了其具有功耗低、性能高、价格便宜等优点外，还因为CC2530开发板拥有256Kb的闪存容量，不至于发生因为数据过大而无法存储的问题。

DS18B20温度传感器是一种独特的传感器，它仅需要一个端口引脚就可以进行通讯，其测温范围为 -55℃-＋125℃，精度为 0.0625℃[15]，完全满足羊肉冷链温度监测系统要求的0-4℃温度范围。DS18B20温度传感器有2种供电方式，一种是外部供电（图4），另一种是寄生供电（图5）。本文采用寄生供电。

图4 外接方式Flag.4 External way

图5 寄生方式Flag.5 Parasitic way

终端采集部分硬件设计主要是CC2530开发板与DS18B20的电路设计，设计过程为DS18B20温度传感器的DQ引脚与CC2530开发板的GPIO相连，DS18B20的GND则与CC2530开发板的GND共地，DS18B20的VDD与CC2530开发板稳压电源相连接。

（2）协调节点部分的主要任务是收发数据及向终端节点发送命令，根据这一主要任务设计的协调节点部分的整体结构图如图6所示。

图6 协调节点部分整体结构图Flg.6 Overall structure diagram of coordinate node

从图6可以看出：协调节点部分的硬件组成部分主要由 CC2530开发板、GPRS模块、LCD显示屏组成。GPRS模块选用的是SIMCOM公司设计开发的通讯模块SIM800A，SIM800A模块与协调节点微控制器进行数据传输时，只需将模块提供的数据发送（TXD）和接收（RXD）与控制器UART1单元P04和P05引脚相联，其中 P04为发送（TXD），P05为接收（RXD）。

3 羊肉冷链温度监测系统软件设计

监测系统软件设计主要分为终端节点软件设计和协调节点软件设计，这两部分都是基于Z-Stack2007[16]协议栈设计开发的，主要实现协调节点与GPRS模块、协调节点与终端节点之间相互通信及DS18B20温度传感器的数据采集功能。

基于Z-Stack2007协议栈开发的终端节点和协调节点程序工作流程如图7所示。其中：

（1）终端节点软件设计只需在Z-Stack2007协议栈的应用层定义温度采集任务，当有任务时就调用相应的处理函数；无任务时就进入休眠状态。

（2）协调节点软件设计中协调节点是整个无线传感网络的核心，具有重要的组网和协同功能[16]。首先协调节点先对串口等硬件初始化，再在应用层发出组建网络，网络组建完成后为加入网络的终端节点分配地址并允许节点加入网络。

图7 终端节点与协调节点工作流程Fig.7 Terminal node and coordination node workflow

3.1 终端节点软件设计

终端采集节点部分主要负责温度数据的采集及传送，温度数据是使用DS18B20传感器来进行采集。由于DS18B20温度传感器对读写数据位的时序非常敏感，因此，在使用时需对DS18B20温度传感器进行复位和拉高总线操作。

⑴复位：即CC2530开发板给DS18B20温度传感器单总线的低电平至少持续480 μs。

⑵拉高单总线：只有拉高总线才可以保证CC2530开发板与DS18B20温度传感器正常通信。

终端采集节点功能的实现主要在于数据采集函数编写，本系统设定数据采集函数名为Sample App_Send_P2P_Message，函数中有一个重点变量deviceID，这个变量表示终端的编号，不同的变量此编号要求不一致，在这里取值要取值0-9。

终端采集节点传感器通信程序和数据采集程序只需在Z-Stack2007协议栈的应用层进行开发。在应用层定义了温度采集任务，当有任务就绪时，调用相应的处理函数；无任务时，系统进入休眠状态。终端采集节点工作流程如图8所示。

图8 终端节点工作流程图Flag.8 Terminal node working flow chart

3.2 协调节点软件设计

协调器节点主要负责ZigBee网络的组建、数据接收。协调器节点开始运行后与终端节点一样，先进行初始化，包括初始化寄存器、堆栈、系统时钟等，然后通过修改Z-Stack2007协议栈的相关层来实现网络的组建。

具体过程为：首先在APP层发起网络组建的请求，NWK层收到请求后向MAC层发送信道扫描命令，MAC层扫描信道后将可用信道发送给NWK层；然后根据信道扫描结果，确定协调器节点PANID、为其分配地址，并设置MAC层的相关参数；最后启动已组建的网络。

ZigBee网络建立之后，协调节点就可以接收终端节点或是路由节点传送来的数据。协调节点工作流程如图9所示。

图9 协调器节点流程图Flag.9 coordinator node working flow chart

4 实验与结果分析

由于实验条件限制，本文无法模拟0-4℃的低温环境，但是参考了文献[17]研究结果可知本文设计的羊肉冷链温度监测系统在0-4℃的低温环境下是适用的。

为了验证监测系统的测量精度和数据传输性能，本文在室内常温条件下模拟了冷藏车温度数据的采集，并进行了分析。

4.1 节点稳定性测试

在模拟环境中布置了6个传感节点，进行10次的温度数据采集测试，测试结果如表2所示。从表2可以看出：在系统稳定工作的情况下各个节点测得数据温差不超过±1℃；节点6测得的温度数据与其他5个节点的温度数据有一定的温差，这主要是节点6放置于门口通风处导致。

图10为各个节点的温度曲线图，从图7可以看出各个节点能够平稳的采集温度数据，没有较大的波动。实验表明各个节点可以较为准确、稳定地采集温度数据。

表2 温度采集数据Tab.2 Temperature collection data

图10 温度曲线Flag.10 Temperature curve

4.2 数据传输性能测试

数据传输性能测试主要测试各采集节点与协调节点的通信可靠性。设定终端节点向协调节点发送数据次数100，测试结果如表3所示。由表3可知：所有的数据采集节点与协调节点之间的通信成功率均为100%，验证了系统通信协议的可靠性。

表3 数据传输准确性测试结果Tab.3 Data transmission accuracy test results

5 小结

（1）本文设计了基于ZigBee的羊肉冷链温度监测系统，并以冷藏车为对象对基于ZigBee无线传感网络监测系统的硬件设计和软件设计进行说明。

（2）通过参考和分析相关文献可知基于 ZigBee无线传感网络设计的羊肉冷链温度监测系统在0-4℃低温环境下是适用的。

（3）通过对模拟的实验环境温度进行实时监测，结果表明该监测系统采集的温度数据误差不超过±1℃，并且所有的数据采集节点与协调节点之间的通信成功率均为100%。