基于ZigBee技術的計量數據采集系統在食品溯源監管中的應用

陳亞陽

(龍海市質量計量檢驗檢測所，福建 漳州 363100）

當前，食品企業對內部生產銷售原始記錄大多采用書面形式，造成人工成本增加，影響數據的及時性和客觀性，給食品安全監管的科學性和高效性造成一定的影響?；赯igBee技術的計量數據采集是充分結合食品企業生產銷售各個環節中原始記錄的核心點——計量，通過ZigBee技術，把各個計量關鍵點無線聯接起來，建立由傳感器采集終端、路由器端、協調器端以及PC端組成的計量數據采集系統，形成企業臺帳自動記錄。

1 ZigBee技術

1.1 ZigBee協議

ZigBee與Bluetooth、Wi-Fi、IrDA等都是目前比較常見的短距離傳輸的無線網絡協議，相比于其他短線網絡，ZigBee具有低速率、低功耗、低成本、易架設的特點，支持主從模式和點對點模式，支持大量節點和多種網絡拓撲，同時支持2.4GHz、915MHz、868MHz頻段，傳輸可靠性高，廣泛應用于物聯網及智能家居等領域。

ZigBee協議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL）等。其中PHY和MAC遵循IEEE 802.15.4標準的規定，在此基礎上，ZigBee聯盟定義了網絡層 （NWK）和應用層（APL），如圖1所示。

圖1 IEEE與ZigBee Alliance分工

ZigBee網絡中設備可定義三種角色，即協調器（ZC）、路由器（ZR）和終端節點（ZED），其中，ZC負責發起并維護一個無線網絡，識別網絡中的設備加入網絡；ZR支撐網絡鏈路結構，完成數據包的轉發；ZED節點是網絡的感知者和執行者，負責數據采集和可執行的網絡動作。

1.2 ZigBee模塊

根據ZigBee協議以及適用特性，各大廠家紛紛開發了ZigBee芯片，并圍繞該芯片技術推出了適用各種端口的外圍電路，即為“ZigBee模塊”，主要由微控制器模塊、存儲器、無線收發模塊、電源模塊和其它外設功能模塊組成。文中采用的ZigBee模塊是由TI公司生產的CC2530F256。

2 ZigBee計量數據采集系統設計

2.1 計量數據采集系統框架設計及工作原理

2.1.1 計量數據采集系統框架設計

基于ZigBee技術的計量數據采集系統，如圖2所示，由硬件和軟件組成。硬件包括：電子秤4臺、CC2530模塊6塊、PC主機1臺；軟件包括：IAR編譯軟件、仿真器SmartRF04EB（或CC Debugger）、數據采集開發軟件LabWindows/CVI（或Visual C++）、SSCOM3.2串口調試軟件、串口驅動程序。

圖2 基于ZigBee技術的計量數據采集系統

2.1.2 工作原理

把CC2530模塊安裝在需要的位置后，用IAR軟件編譯程序，分別定義協調器（ZC）、路由器（ZR）和終端節點（ZED）三個角色，并通過仿真器SmartRF04EB（或CC Debugger）燒寫到CC2530模塊上，ZED與計量器具接連后，對計量稱重實時數據以無線傳輸模式中轉至ZR（如果距離不大，不需要設置），由ZR無線傳輸給ZC，ZC與PC以RS232連接方式進行數據通信，在上位機的軟件上（通過LabWindows/CVI或Visual C++開發）進行數據匯集歸納分析，形成進料、配料、投料及出料等環節的電子臺帳。

2.2 ZigBee硬件架設

2.2.1 網絡節點電路模塊設計

2.2.1.1 終端節點與傳感器的電路連接

電子秤稱重模板一般采用HX711模塊。在連接時，HX711稱重傳感器對應CC2530開發板的電路接口為：VOC接 3.3V，SCK接P0.6，DT接P0.6，GND接 GND。

2.2.1.2 協調器節點與PC的電路連接

CC2530協調器有兩個串行通信接口USART0和USART1，為TTL電平，而PC機的串行通信接口是RS-232電平接口，兩者的電氣規范不一致，需要借助接口芯片進行電平轉換，然后實現兩者之間的數據通信?，F在大部分PC機與外部數據對接時都采用USB接口，因此，可以選用C8051F320單片機作為USB的控制芯片，其結構圖如圖3所示。

圖3 USB接口與PC機對接

2.3 軟件設計與使用

2.3.1 軟件安裝

安 裝 IAR7.60、LabWindows/CVI或 Visual C++、SmartRF Flash Programme及串口調試助手軟件以及SmartRF04EB（或CC Debugger）仿真器驅動程序和USB轉串口驅動程序。

2.3.2 網絡節點角色定義

從IAR軟件中打開工程SampleApp.eww，在Workspace下拉框中選擇不同的角色。

（1）編譯協調器節點

連接第一個CC2530模塊。在 Workspace 下拉框中選擇“CoordinatorEB”，在工程名上點右鍵，選擇”Rebuild All”（第一次一定要用“Rebuild All”，后面再修改代碼只用“Make”即可），編譯正確后下載到CC2530協調器節點上。

（2）編譯終端節點

連接第二個CC2530模塊。在Workspace下拉框中選擇“EndDeviceEB”，方法如上。編譯正確后，作為終端節點下載到該板上。

（3）編譯路由器節點

連接第三個CC2530模塊。在Workspace下拉框中選擇“RouterEB-Pro”，方法同上。

2.3.3 數據采集軟件開發

2.3.3.1 LabWindows/CVI簡介

LabWindows/CVI軟件在編寫規范上基本與C語言一致，其工程文件格式為（*.prj），包含了源程序文件（*.c）、文件頭（*.h）和用戶界面文件（*.uir）。

2.3.3.2 LabWindows/CVI開發步驟

（1）確定數據采集框架。包括人機界面、軟件框架和面板中控件的回調函數等。

（2）設計人機界面。在編輯窗口設計人機界面，包括控件的選擇及放置、回調函數的設置等。

（3）編寫程序的源代碼。在人機界面編輯完成后，點擊菜單下的代碼，生成全部代碼，程序會自動生成軟件的主程序和回調函數的整體框架，設計人員只需向其中添加相應的代碼即可。

（4）軟件的調試運行。完成代碼的編寫后，點擊菜單欄運行下的調試選項或者直接點擊調試快捷鍵，對編寫的軟件進行調試修改。

2.4 數據采集系統組網測試

2.4.1 測試工具

SSCOM3.2串口調試軟件。

2.4.2 對協調器、路由器進行串口測試

通過SSCOM3.2串口調試軟件對協調器進行串口測試。在SSCOM3.2軟件中選擇相應的端口COM1，并設置參數，波特率為38400，數據位為8，停止位為1，奇偶校驗方式為None，數據流控制方式為None。若在軟件前兩行中出現Starting ZPS和Stack started，則說明協議棧初始化成功。

對路由器串口調試方法同上。路由器搜尋網絡成功時，會顯示：Scan Channel：15 Channel Mask：00008000 與 Node rejoined network with Addr 0xb95兩條記錄。

2.4.3 通信測試

將協調器和路由器組號設置成0×0002，終端設備組號設成 0×0003。

連接串口，可以觀察到只有0×0002的兩個設備相互發送信息（注：此處略去各節點發送及接收的代碼）（見圖4）。

圖4 協調器、路由器、終端節點調試

2.4.4 軟件調試

打開數據采集軟件界面，選擇USB端口，然后進行測試，如圖5所示。

圖5 軟件主界面

3 結語

目前，應用ZigBee對計量數據進行無線采集的技術較為成熟，應用領域也越來越廣泛，在食品行業中推廣使用計量數據采集系統將對食品企業的管理效率產生明顯的提升作用，也會帶動食品行業向數字化管理邁向重要的一步，從而積極推進食品安全溯源體系的健全和完善。