冷链车辆温度监测节点设计(附件)
设计了一种基于CC2530和ZigBee技术的冷链物流智能配载系统中实时可充电的温度监测节点。该节点由CC2530（8051单片机和无线电部分组成）、DS18B20温度采集模块和可充电的电源模块组成。温度监测节点定时采集车厢内指定位置的温度，并将采集的数据发送至汇聚节点，然后由汇聚节点发送至后台数据库。节点的电源模块可反复提供能源而不必定期更换电池。节点满足较低功耗和可反复充电的设计要求，延长了节点的使用寿命。关键词 无线传感器网络，温度监测，ZigBee技术，无线充电
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 国内外研究和发展现状 1
2 系统方案设计 3
2.1 系统描述 3
2.2 系统需求分析 4
2.3 总体方案 4
2.4 无线充电设计方案 6
3 硬件设计 6
3.1 主控芯片模块 7
3.2 电源模块 7
3.3 温度采集模块 8
3.4 接口模块 9
3.5 无线充电模块 9
3.6 PCB设计及硬件实物 10
4 软件设计 13
4.1 SPI驱动模块 13
4.2 DS18B20驱动模块 14
4.3 串口驱动模块 16
4.4 显示屏驱动模块 17
4.5 配置模块 17
4.6 主程序模块 17
5 无线充电测试与实验 18
5.1 测试目的 18
5.2 效率测试 18
5.3 功率测试 19
5.4 温升测试 20
5.5 隔离测试 20
结论 21
致谢 22
参 考 文 献 23
附录A 样机照片 25
附录B 主要代码 26
1 引言
1.1 研究背景和意义
本课题来源于江苏省科技厅重点研发计划项目“基于情景感知的冷链物流智能配载推荐系统研 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
发(BE2015127)”。
近几年，冷链物流的规模大幅增长。我国平均食物产值约为3000多亿美元，以农产品冷链物流为例，每年约有4亿吨生鲜农产品进入流通领域，但由于没有很好的冷藏条件，食物产后损失严重，所以对冷链物流车辆的温度感知具有重要的意义。
冷链物流运输过程中，需要对车内温度进行实时的温度监测，由于车辆运输时间持续长，温度监测节点电池供电时间短，而冷藏车辆的车厢环境又是封闭的，不易更换电池，因此，如何做到温度监测节点的可充电性进而提高温度监测节点在低温环境下的使用寿命是一个亟待解决的问题。
1.2 国内外研究和发展现状
无线传感器网路作为一种广泛应用的无线通信技术，在国际上备受关注，已广泛应用于各领域。其中，由于无线传感器节点体积小、重量轻且携带的电量十分有限，加上其所部署的环境复杂多变，电池更换不便或不能更换，因此，减少能量损耗是延长节点寿命的一种基本途径[14]。当前主要应用的方式是通过用占空比即调节不同睡眠周期的参数，降低功耗[5]，但仍需直接使用高功率的射频同通信芯片。
如表1所示，近几年常用的无线传感器节点通常是由以下几个模块组成的：电源模块、感知模块、通信模块、存储模块、计算模块以及执行模块。其中感知模块和通信模块是无线传感器节点的核心功能模块[6]。
表1 无线传感器节点模块及作用[6]
模块名称
作用
电源模块
提供节点工作电源
感知模块
感知外部环境，进行监测、追踪等
通信模块
与其他节点或基站进行数据传输
计算模块
对采集/接收的数据进行处理
执行模块
依据接收的指令或计算结果，执行相应任务
目前主要有三种无线充电的方式，即电磁感应方式、磁共振方式和射频能量采集方式[7]。
电磁感应方式是基于电磁感应原理的，即一定频率的交流电通过初级线圈在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。此方式需要充电节点和接收节点紧密接触且充电方向一致，因此电感耦合方式不适用于无线传感器网络。目前此方式已普遍应用于无线充电垫中，我国的比亚迪公司早在2005年就申请了非接触感应式充电器的专利。
磁共振方式是由能量发送装置和能量接收装置组成的，当两个装置调整到相同频率时，两装置就可以互换彼此的能量，此种方式是目前正在研究的一种技术。这种耦合方式效率很高，充电距离也从电感耦合的零点几毫米扩大到几毫米甚至几厘米，且对邻近环境免疫[8]。但是，磁共振方式只有在源极和接收线圈同轴对准时，才能实现最大充电距离，另一方面，多个装置充电时，接收线圈和其他物体之间的相互耦合会引起干扰。
射频能量采集方式通过辐射EM波将能量从电压的发射天线发射到接收天线，此方式可延长网络寿命，但对阻塞敏感，而且可能对人类造成安全隐患。根据能量发射方向，它可分为全向辐射和单向辐射。全向辐射效率很低，仅适用于超低功率的传感器节点和移动传感器节点，单向辐射可通过使用微波或激光束实现远距离高功率的能量传输。
基于这三种无线充电技术，相关研究人员提出了一种可充电无线传感器网络的设计，节点的微处理芯片和传感器的能量是可补充的[911]，利用机器人的移动性进行能源管理和均衡[12]，节点的无线能量补给设备的工作模型是无线能量补给设备先遍历无线传感网络中的每个节点，然后为其补给能量，从而确保无线传感器节点的能量不低于阈值，最后无线能量补给设备回到维护站对电池进行充电或更换并为下一次的充电任务做准备。
这种充电方式虽然能实现能量补给，但会存在充电器的移动距离和节点充电延迟的问题，针对此类问题，文献[13]提出了一种能量同步移动充电协议，此协议可将充电器行驶距离和节点的充电延迟分别降低30%和40%，并通过点配置和路径配置优化能源供应[14]。
另外，微软研究院针对无线充电设计了一种名为AutoCharge的解决方案，这是一种利用聚焦光线来充电的新技术[15]。AutoCharge可自动定位桌子上的智能手机并为他们充电，AutoCharger的原型充电器有两个工作模块，即监测模块和充电模块。监测模块采用的是Kinect摄像头，这款摄像头可扫描像智能手机这样子的物体，充电模块采用的是UltraFire CREE XML T6 LED flashlight，这种由美国CREE公司研制的LED灯珠可以聚集LED光线，以便充电。AUTCharger的充电器会不停地旋转，直到检测到类似智能手机的物体，然后使用太阳能发电技术，使产生的光束为检测到的物体无线充电，当系统发现有其它物体出现对充电造成干扰时，系统会在短时内自动关闭。
目 录
1 引言 1
1.1 研究背景和意义 1
1.2 国内外研究和发展现状 1
2 系统方案设计 3
2.1 系统描述 3
2.2 系统需求分析 4
2.3 总体方案 4
2.4 无线充电设计方案 6
3 硬件设计 6
3.1 主控芯片模块 7
3.2 电源模块 7
3.3 温度采集模块 8
3.4 接口模块 9
3.5 无线充电模块 9
3.6 PCB设计及硬件实物 10
4 软件设计 13
4.1 SPI驱动模块 13
4.2 DS18B20驱动模块 14
4.3 串口驱动模块 16
4.4 显示屏驱动模块 17
4.5 配置模块 17
4.6 主程序模块 17
5 无线充电测试与实验 18
5.1 测试目的 18
5.2 效率测试 18
5.3 功率测试 19
5.4 温升测试 20
5.5 隔离测试 20
结论 21
致谢 22
参 考 文 献 23
附录A 样机照片 25
附录B 主要代码 26
1 引言
1.1 研究背景和意义
本课题来源于江苏省科技厅重点研发计划项目“基于情景感知的冷链物流智能配载推荐系统研 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
发(BE2015127)”。
近几年，冷链物流的规模大幅增长。我国平均食物产值约为3000多亿美元，以农产品冷链物流为例，每年约有4亿吨生鲜农产品进入流通领域，但由于没有很好的冷藏条件，食物产后损失严重，所以对冷链物流车辆的温度感知具有重要的意义。
冷链物流运输过程中，需要对车内温度进行实时的温度监测，由于车辆运输时间持续长，温度监测节点电池供电时间短，而冷藏车辆的车厢环境又是封闭的，不易更换电池，因此，如何做到温度监测节点的可充电性进而提高温度监测节点在低温环境下的使用寿命是一个亟待解决的问题。
1.2 国内外研究和发展现状
无线传感器网路作为一种广泛应用的无线通信技术，在国际上备受关注，已广泛应用于各领域。其中，由于无线传感器节点体积小、重量轻且携带的电量十分有限，加上其所部署的环境复杂多变，电池更换不便或不能更换，因此，减少能量损耗是延长节点寿命的一种基本途径[14]。当前主要应用的方式是通过用占空比即调节不同睡眠周期的参数，降低功耗[5]，但仍需直接使用高功率的射频同通信芯片。
如表1所示，近几年常用的无线传感器节点通常是由以下几个模块组成的：电源模块、感知模块、通信模块、存储模块、计算模块以及执行模块。其中感知模块和通信模块是无线传感器节点的核心功能模块[6]。
表1 无线传感器节点模块及作用[6]
模块名称
作用
电源模块
提供节点工作电源
感知模块
感知外部环境，进行监测、追踪等
通信模块
与其他节点或基站进行数据传输
计算模块
对采集/接收的数据进行处理
执行模块
依据接收的指令或计算结果，执行相应任务
目前主要有三种无线充电的方式，即电磁感应方式、磁共振方式和射频能量采集方式[7]。
电磁感应方式是基于电磁感应原理的，即一定频率的交流电通过初级线圈在次级线圈中产生一定的电流，从而将能量从传输端转移到接收端。此方式需要充电节点和接收节点紧密接触且充电方向一致，因此电感耦合方式不适用于无线传感器网络。目前此方式已普遍应用于无线充电垫中，我国的比亚迪公司早在2005年就申请了非接触感应式充电器的专利。
磁共振方式是由能量发送装置和能量接收装置组成的，当两个装置调整到相同频率时，两装置就可以互换彼此的能量，此种方式是目前正在研究的一种技术。这种耦合方式效率很高，充电距离也从电感耦合的零点几毫米扩大到几毫米甚至几厘米，且对邻近环境免疫[8]。但是，磁共振方式只有在源极和接收线圈同轴对准时，才能实现最大充电距离，另一方面，多个装置充电时，接收线圈和其他物体之间的相互耦合会引起干扰。
射频能量采集方式通过辐射EM波将能量从电压的发射天线发射到接收天线，此方式可延长网络寿命，但对阻塞敏感，而且可能对人类造成安全隐患。根据能量发射方向，它可分为全向辐射和单向辐射。全向辐射效率很低，仅适用于超低功率的传感器节点和移动传感器节点，单向辐射可通过使用微波或激光束实现远距离高功率的能量传输。
基于这三种无线充电技术，相关研究人员提出了一种可充电无线传感器网络的设计，节点的微处理芯片和传感器的能量是可补充的[911]，利用机器人的移动性进行能源管理和均衡[12]，节点的无线能量补给设备的工作模型是无线能量补给设备先遍历无线传感网络中的每个节点，然后为其补给能量，从而确保无线传感器节点的能量不低于阈值，最后无线能量补给设备回到维护站对电池进行充电或更换并为下一次的充电任务做准备。
这种充电方式虽然能实现能量补给，但会存在充电器的移动距离和节点充电延迟的问题，针对此类问题，文献[13]提出了一种能量同步移动充电协议，此协议可将充电器行驶距离和节点的充电延迟分别降低30%和40%，并通过点配置和路径配置优化能源供应[14]。
另外，微软研究院针对无线充电设计了一种名为AutoCharge的解决方案，这是一种利用聚焦光线来充电的新技术[15]。AutoCharge可自动定位桌子上的智能手机并为他们充电，AutoCharger的原型充电器有两个工作模块，即监测模块和充电模块。监测模块采用的是Kinect摄像头，这款摄像头可扫描像智能手机这样子的物体，充电模块采用的是UltraFire CREE XML T6 LED flashlight，这种由美国CREE公司研制的LED灯珠可以聚集LED光线，以便充电。AUTCharger的充电器会不停地旋转，直到检测到类似智能手机的物体，然后使用太阳能发电技术，使产生的光束为检测到的物体无线充电，当系统发现有其它物体出现对充电造成干扰时，系统会在短时内自动关闭。
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