基于ZIGBEE无线传感器网络的仓储温湿度检测系统

摘　要：本系统提供一种仓储环境无线传感器网络温度湿度监测系统，包括终端节点(End Device)、路由器节点(Router)、协调器节点（Coordinator）、烟雾检测传感器、监测主机。终端节点(End Device)有DA300温度湿度传感器板和长距离ZigBee高频模块组成。通讯距离是ZigBee技术走向应用的主要瓶颈之一，采用的CC2591放大器+ CC 2430单片机设计的LBee高频模块有效提高了节点间的通讯距离。为了提高无线网络分布距离本系统采用网状网络拓扑，为了减少终端节点(End Device)的功耗，把终端节点设置为半功能器件RFD，因此它可以是一个电池供电设备。

关键词：终端节点(End Device)；ZigBee2006协议栈；ZigBee节点的数据传输
　　对于粮仓和储藏农产品的大型冷库，需要每天周期性检测仓库每个位置的温度、湿度数据。根据对目前市场的调研发现，传统的仓储环境温湿度监控和监测系统基本上是在有线传感器(互感器)网络的基础上实施的功能。有些地方，有线传感器网络方式受布线、供电电源、安装场所、运行和维修环境等条件的限制，而造成监测系统的无法监测，并且现有仓储系统大量的监控和监测采集量采用有线方式是无法完成的，更不可能保证数据的实时性、可靠性和完整性，此种系统也将限制对仓储环境设备运行状态的评估、判断和决策。因此组成无线传感器网络是仓储系统监测系统发展的一个重要趋势。
　　本系统提供一种仓储环境无线传感器网络温度湿度监测系统，实现仓储环境温湿度的无线自动测控，保证数据的实时性和可靠性。
　　1 ZIGBEE技术用于仓储系统的分析
　　ZigBee技术是建立在IEEE802.15.4国际标准上的一种新兴的无线网络技术标准，主要用于近距离无线网络连接。该技术的主要特色有低速、低功耗、 低成本、支持大量网络节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、可靠、安全。它工作于2.4GHz( 全球)、868MHz( 欧洲) 及915MHz( 美国)的ISM 频段， 其基础是IEEE802.15.4，这是IEEE 无线个人区域网工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(ZigBee) 技术标准。
　　IEEE802.15.4仅定义了低级MAC层(介质介入控制子层)和PHY(物理层)协议；ZigBee联盟定义ZigBee堆栈层、网络层（NWK）、应用层（APL）以及安全服务管理。
　　ZigBee应用层框架包括应用支持层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商所定义的应用对象。
　　无线传感器和传感器网络，具有非常广泛的市场前景，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响的新技术。在工业、农业、军事、环境、医疗，数字家庭，绿色节能，智慧交通等传统和新兴领域具有巨大的运用价值，从长远看，无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，美国《商业周刊》 预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。
　　在ZigBee网络中，有三种主要的网络拓扑，分别是星状、树状和网状。按照功能不同，将无线网络节点分为三种不同类型，协调器节点（Coordinator）、路由器节点(Router)和终端节点(End Device)。
　　ZigBee网络拓扑中，最有特色的是网状网络拓扑；本系统由于终端节点(End Device)数目较多（100个），需要多个路由器节点(Router)起中继路由转发作用，采用网状网络拓扑。ZigBee2006协议栈规定在每个路由加入网络之前，寻址方案需要知道和配置一些参数。这些参数是MAX_DEPTH，MAX_ROUTERS和MAX_CHILDREN。ZigBee2006协议栈已经规定了这些参数的值：MAX_DEPTH = 5，MAX_ROUTERS = 6和MAX_CHILDREN = 20。
MAX_DEPTH决定了网络最大深度。协调器(Coordinator)位于深度0，它的儿子位于深度1，他儿子的儿子位于深度2，以此类推。本系统最多需要3个路由节点起中继路由转发作用，MAX_DEPTH = 5参数设置可以满足系统需要。
　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1  ZigBee网络拓扑
　　2 系统设计
　　本系统提供一种仓储环境无线传感器网络温度湿度监测系统，包括终端节点(End Device)、路由器节点(Router)、协调器节点（Coordinator）、烟雾检测传感器、监测主机。
　　1）终端节点(End Device)、路由器节点(Router)和协调器节点（Coordinator）的设计
　　将单片机和ZigBee无线收发器集成为一个单芯片的片上系统，也称为ZigBee无线单片机，CC2430就是这样的无线单片机，在无线单片机内部的存储器里面，安装了ZigBee2006无线网络软件协议栈后，CC2430可以实现ZigBee无线网络节点的功能。
　　对于一个实际ZIGBEE应用系统的设计，设计者主要面对的技术难点之一就是通讯距离，这也是ZigBee技术走向应用的主要瓶颈之一。由于一般的ZigBee前端RF部分输出大部分只有0DBM，点对点开阔地带 实际通讯距离只有几十米，如果加上环境和阻挡因数，通讯距离还会缩水。虽然可以通过中继路由来解决，但是很多应用还是有困难。
　　对于ZIGBEE通讯距离的扩展，目前采用外部扩展和内部增加放大器两套办法，TI最近推出的CC2591放大器芯片，就是比较典型的外部扩展的办法，CC2591能够和CC2430等ZigBee单片机完整结合，以非常低的成本，实现ZIGBEE通讯距离的扩展，图2是本系统采用的CC2591放大器+ CC 2430单片机设计的LBee模块。
　　
　　　　　　　　图2  CC2591+ CC 2430设计的LBee模块
　　终端节点(End Device)、路由器节点(Router)和协调器节点（Coordinator）用成都无线龙长距离ZigBee高频模块（FLYRF）后，ZigBee节点的网络通讯距离可以轻易在点对点开阔地带通讯距离达到300米以上，通过ZigBee网状网络的自动中继路由，可以容易实现微功耗下数公里的网络通讯和无线传感器网络。
　　终端节点(End Device)由成都无线龙DA300传感器板和成都无线龙长距离ZigBee高频模块（FLYRF）组成，DA300传感器板选用温湿度传感器SHT10 ，具有相对湿度和温度一体测量， 技术参数：湿度测量范围:0to100％RH， 湿度测量精度：±4.5％RH（20到80％RH），湿度测量复现性:±0.1％RH， 湿度测量分辨率:0.03％RH； 温度测量范围：-40～+123.8℃， 温度测量精度:±0.5℃，温度测量重复性:±0.1℃ ，温度测量分辨率:0.01℃。
　　本系统终端节点(End Device) 设置为半功能器件RFD(网络终端设备)，只能与FFD通信，两个RFD之间不能通信。
　　终端节点负责采 集仓储库内环境温湿度数据，无线发射传送到它的父节点路由器。终端节点(End Device) 做为半功能器件RFD，它可以睡眠或者唤醒，消耗功率很低，因此它可以是一个电池供电设备。
　　路由器节点(Router)和协调器节点（Coordinator）是全功能器件FFD，可以同网络中的任何设备通信。
　　ZigBee路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，接受终端节点发射传送的温湿度数据，多跳路由转发数据。
　　Coordinator协调器是全功能器件FFD，负责启动整个网络。它是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID(也称之为PAN ID，即Personal Area Network ID)，随后启动整个网络。路由器通过无线网络长距离中继传输数据给网络协调器，协调器通过RS-232的串口线将温湿度数据送入监控主机；同时烟雾检测传感器将检测的烟雾数据发送给监控主机。
　　2） Zigbee协议软件栈和应用层软件的设计
　　① 建立一个新网络
　　建立一个新网络的程序通过使用t 原语发起。只有具有ZigBee 协调器功能的设备并且当前没有加入一个网络的设备才可以尝试建立一个新网络。
　　② 允许设备加入一个网络
　　允许设备加入一个网络的程序通过t 原语发起。只有ZigBee协调器或一个ZigBee 路由器设备可以尝试允许设备加入网络。
　　③ 传输数据
　　只有那些当前互相连接的设备可以从NWK 层发送数据帧。如果一个没有连接的设备收到一个传输一个帧的请求，它必须丢弃该帧，并通过发出一个状态为INVALID_REQUEST的m 原语，通知上层这一错误。
　　④ 接收数据
　　为了接收数据，一个设备必须开启它的接收器。上层可以使用t 原语发起接收。在一个开启信标的网络中，NWK层接收本原语将导致一个设备与其父节点的下一个信标同步，且可选地跟踪未来的信标。NWK层必须通过发出一个t给MAC 子层来完成。
　　3）监测主机软件的设计
　　监控主机放在监控室，监控主机通过监控软件实现可视化状态下的数据存储、处理和动态监控显示，并支持对数据库的有条件查询、增加或删除记录等管理，还可即时生成图表曲线，还可进行报警信息的显示与储存等，使仓储管理实现自动化、智能化；本系统的温度测量精度可达0.3℃，湿度测量精度可达2%RH。
　　3 结束语
　　本系统提供一种仓储环境无线传感器网络温度湿度监测系统，实现仓储环境温湿度的无线自动测控，保证数据的实时性和可靠性。无线传感器和传感器网络，具有非常广泛的市场前景，从长远看，无线传感器网络将无处不在，会完全融入我们的生活。通讯距离是ZigBee技术走向应用的主要瓶颈之一，采用LBee高频模块有效提高了节点间的通讯距离，但在实际应用中ZigBee节点间通讯距离还不十分理想，需要通过多个路由器节点(Router) 中继路由转发数据来提高通讯距离。另外ZigBee协议栈比较复杂，需要花大量时间和精力来研究和熟悉ZigBee协议栈。这些因素都阻碍着ZigBee技术的推广使用。
参考文献：
[1] 李文仲.ZigBee2006无线网络与无线定位实战 北京：北京航空航天大学出版社，2008,(1)
[2] 高守伟.ZigBee2006技术实践教程 北京：北京航空航天大学出版社，2009,(6)
[1] 李文仲.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践 北京：北京航空航天大学出版社，2009,(3) 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jsjlw/jsjwl/238281.html