（四川理工學(xué)院 自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，自貢 643000）

白酒發(fā)酵過(guò)程是中國(guó)的一種傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，目前對(duì)于白酒發(fā)酵過(guò)程溫度檢測(cè)多數(shù)采用布線方式或是人工使用一些測(cè)量?jī)x器，這樣不能實(shí)時(shí)地反應(yīng)發(fā)酵過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化特性，不能很好地滿足發(fā)酵微生物的代謝條件，從而影響白酒的品質(zhì)和生產(chǎn)效率。隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外有很多實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)[1]，大多數(shù)都是采用有線網(wǎng)絡(luò)傳輸，這種方式可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，可是存在布線復(fù)雜、成本高、靈活性差和不可移動(dòng)等缺點(diǎn)，難以推廣應(yīng)用。而采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低、成本低、傳輸可靠、易于安裝等特點(diǎn)，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到白酒發(fā)酵過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)有著重要的意義。本文通過(guò)對(duì)白酒發(fā)酵池的不同深度和不同位置的溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，經(jīng)過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸，完成節(jié)點(diǎn)間的通信，最后經(jīng)過(guò)PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)白酒發(fā)酵池的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)。

1 WSN-ZigBee介紹

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)WSM是將傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)融為一體的大規(guī)模自組織網(wǎng)絡(luò)[2]，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)感知、采集和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的感知對(duì)象的信息，各節(jié)點(diǎn)協(xié)同的將這些信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的終端計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和管理。該網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)主要是由傳感節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理點(diǎn)組成，將大量的具有采集、傳輸和收發(fā)功能的傳感節(jié)點(diǎn)安放在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)間通過(guò)專用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸處理和匯聚，完成對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的跟蹤和定位、探測(cè)和識(shí)別。傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)方式組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，且以多跳的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳播感知信息[3]。匯聚節(jié)點(diǎn)最終將傳感節(jié)點(diǎn)感知的信息經(jīng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給管理節(jié)點(diǎn)。

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要應(yīng)用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的電子設(shè)備間。ZigBee協(xié)議由4層組成，其中物理層和介質(zhì)訪問(wèn)層是由IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定[4]。ZigBee有星型、網(wǎng)狀和樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的終端由精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD組成，是終端節(jié)點(diǎn)；許多RFD連接到一個(gè)全功能的FFD上，此節(jié)點(diǎn)為路由節(jié)點(diǎn)；許多個(gè)RFD和FFD連接到一個(gè)FFD上面，該節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；實(shí)際應(yīng)用中由于終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳輸距離比較遠(yuǎn)，會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量，可以適當(dāng)?shù)囟嘣黾右恍┞酚晒?jié)點(diǎn)，縮短傳輸間的距離并增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)的功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

白酒窖池發(fā)酵溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)和終端PC機(jī)2大部分構(gòu)成。ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)是由部署在窖池中不同位置的傳感器終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。根據(jù)以往的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，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(fù)責(zé)對(duì)窖池不同位置的溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并處理傳輸；路由節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)傳感終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的通訊；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是將終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)上傳至PC機(jī)，數(shù)據(jù)經(jīng)PC機(jī)存儲(chǔ)和處理后最終顯示給用戶，完成發(fā)酵過(guò)程溫度的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

本系統(tǒng)可以對(duì)ZigBee模塊進(jìn)行電路擴(kuò)展，可以對(duì)多個(gè)窖池的發(fā)酵溫度進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)，CC2530芯片將不同的發(fā)酵窖池采集的參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)天線發(fā)射出去，通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)經(jīng)RS-232串口與PC機(jī)相連，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)參數(shù)傳到PC機(jī)上，實(shí)現(xiàn)不同的發(fā)酵窖池在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure diagram

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，可以檢測(cè)窖池中不同位置和不同深度的溫度，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和傳輸，主要由采集模塊、微控制器模塊和無(wú)線收發(fā)模塊構(gòu)成。溫度采集使用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，微處理器采用CC2530無(wú)線射頻收發(fā)芯片，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)處理并發(fā)送出去。

3.2 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)是允許網(wǎng)絡(luò)加入、數(shù)據(jù)路由和輔助子節(jié)點(diǎn)通信，在網(wǎng)絡(luò)中起到網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)控制作用。由于窖池發(fā)酵過(guò)程受諸多因素影響，終端采集節(jié)點(diǎn)環(huán)境復(fù)雜，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)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(shè)計(jì)多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)跳躍式傳輸，這樣路由節(jié)點(diǎn)就將終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，完成數(shù)據(jù)的傳輸，也擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控范圍。

3.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要是由電源電路、串行接口電路、USB電路、時(shí)鐘電路和CC2530控制電路組成，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和創(chuàng)建、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)上電后，協(xié)調(diào)器會(huì)選擇一個(gè)信道，并選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)號(hào)建立連接。由于協(xié)調(diào)器的外圍電路比較多而且是處于一直工作的狀態(tài)，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(zhǎng)期工作[5]。由于協(xié)調(diào)器是CC2530與串口電路相結(jié)合，因此采用MAX3221CAE芯片實(shí)現(xiàn)串口電平轉(zhuǎn)換。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是由上位機(jī)管理軟件和下位機(jī)ZigBee節(jié)點(diǎn)這2部分組成。本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用IAR Embedded Workbench for MCS-51，通信協(xié)議使用ZigBee 2006協(xié)議棧，開發(fā)語(yǔ)言使用C++。

4.1 終端采集節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

終端采集節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、提出請(qǐng)求，請(qǐng)求成功后就可以與協(xié)調(diào)器傳輸數(shù)據(jù)。具體過(guò)程是當(dāng)系統(tǒng)上電后，先初始化ZigBee協(xié)議棧，然后掃描DEFAUT_CHANLIST指定的頻道，搜尋協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的超幀信號(hào)時(shí)，就發(fā)出建網(wǎng)請(qǐng)求，若協(xié)調(diào)器允許加入，就成功入網(wǎng)，此時(shí)協(xié)調(diào)器就會(huì)分配一個(gè)專門的ID號(hào)，且將該節(jié)點(diǎn)的MAC地址和ID地址關(guān)聯(lián)注冊(cè)。終端采集節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)是由ZigBee設(shè)備對(duì)象ZDO實(shí)現(xiàn)的，成功加入網(wǎng)絡(luò)后，ZigBee協(xié)議棧的應(yīng)用層APL會(huì)收到ZDO_STATE-CHANGE消息，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是DEV_END_DEVICE。不同的傳感器通過(guò)ZigBee協(xié)議棧中osal_start_timerEx（）定時(shí)函數(shù)周期對(duì)發(fā)酵窖池中的溫度數(shù)進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)送到路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)[6]。終端采集節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的具體流程如圖2所示。

圖2 終端采集節(jié)點(diǎn)流程Fig.2 Terminal acquisition node flow chart

4.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，首先完成ZigBee協(xié)議棧的初始化，對(duì)信道進(jìn)行掃描和空閑信道評(píng)估等任務(wù)。然后選擇合適的工作信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，啟動(dòng)Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)，并發(fā)送超幀，等待終端節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求。網(wǎng)絡(luò)建立成功后，終端節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)對(duì)其認(rèn)證并發(fā)送允許加入命令，此時(shí)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)綁定成功，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)為DEV_ZB_COOR[7]。此外，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)把終端節(jié)點(diǎn)的ID發(fā)送到管理中心PC機(jī)上。當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到來(lái)自終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，先調(diào)用osl_msg_receive（）函數(shù)從消息隊(duì)列接收消息并通過(guò)switch-case語(yǔ)句判斷消息ID，若消息ID是AF_INCOMING_MSG_CMD，ZigBee協(xié)議棧應(yīng)用層APL調(diào)用GenericApp_MessageMSGCB（）函數(shù)將收到數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)至監(jiān)控中心PC機(jī)，否則就丟棄數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程Fig.3 Coordinator node flow chart

5 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將該系統(tǒng)應(yīng)用在某酒廠的發(fā)酵過(guò)程中，通過(guò)PC處理采集到的數(shù)據(jù)并輸出顯示，因?yàn)榭梢酝瑫r(shí)監(jiān)測(cè)好幾個(gè)不同窖池的溫度變化，所以給酒廠管理帶來(lái)很大的方便，也節(jié)約了不少人力。圖4所示為某一個(gè)窖池根據(jù)PC機(jī)采集到窖池上、中、下3層不同溫度，經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件處理后所繪制出來(lái)的變化曲線圖，橫坐標(biāo)是采集溫度的時(shí)間，縱坐標(biāo)是溫度擴(kuò)大100倍的值，很直觀地反應(yīng)窖池內(nèi)溫度的變化情況。

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

6 結(jié)語(yǔ)

基于ZigBee-WSN傳感網(wǎng)絡(luò)的白酒發(fā)酵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)以及無(wú)線通訊技術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)成本低、傳輸效率高、準(zhǔn)確率高、安全可靠的數(shù)據(jù)采集和傳輸，完成有效的發(fā)酵參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)該系統(tǒng)可以完成多個(gè)窖池的參數(shù)檢測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)地采集發(fā)酵過(guò)程參數(shù)，減少了大量的人員工作強(qiáng)度。此外如果協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和PC間通過(guò)GPRS傳輸，則可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)管理，也可以更換傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、空氣監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，具有很好的監(jiān)測(cè)效果和廣闊的應(yīng)用前景。

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