ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)

1、引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布置大量傳感器節(jié)點，由傳感器節(jié)點完成數(shù)據(jù)采集，并以無線方式發(fā)送到匯聚(Sink)節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。其目的是實時地檢測和采集節(jié)點部署內(nèi)的各種信息(如溫度、濕度、噪聲等)。ZigBee是一種新型的無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具有抗干擾、高保密性和自動動態(tài)組網(wǎng)等特點，非常適合小范圍無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本文提出一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)布局復(fù)雜、線纜過多、易老化斷裂等諸多問題，給現(xiàn)代倉庫管理帶來了方便，促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展。系統(tǒng)總體設(shè)計基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。圖1      &#

2、160;監(jiān)控系統(tǒng)框圖該監(jiān)控系統(tǒng)主要由安裝了監(jiān)控軟件的上位機、匯聚節(jié)點和兩個房間中的多個傳感器節(jié)點組成。各節(jié)點通過無線信道連接，匯聚節(jié)點與上位機監(jiān)控程序通過RS-232異步串口總線連接。傳感器節(jié)點中包括溫濕度、紅外以及煙霧傳感功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫濕度的周期查詢，對煙霧和人體紅外通過中斷的形式實時響應(yīng)。上位機的監(jiān)控程序以內(nèi)嵌地圖形式的表格顯示出各個節(jié)點的信息，可以得知房間中各個地方的溫濕度與煙霧紅外狀況。根據(jù)倉庫實際需要設(shè)置溫濕度的閾值，超過該閾值節(jié)點以紅色顯示，來提醒管理員異常情況。除了溫濕度顯示，上位機監(jiān)控程序中有紅外和煙霧兩個按鈕，若檢測到紅外和煙霧信息，則不停閃爍并發(fā)出警報聲。圖2 

3、;      節(jié)點硬件平臺節(jié)點的硬件平臺節(jié)點的硬件平臺采用Chipcon公司(已被TI公司收購)的CC2430芯片，外圍附加溫濕度傳感器、紅外煙霧傳感器、電源以及調(diào)試接口，如圖2所示。CC2430是符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的2.4G片上系統(tǒng)芯片(SoC)，片內(nèi)集成了工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)的8位8051微控制器內(nèi)核、高性能的CC2420射頻收發(fā)器、128KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器和8KB的RAM等。高集成度的特性降低了單片機數(shù)字電路對高頻模擬信號的干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性。溫濕度傳感器采用SHT10溫濕度傳感器，該傳感器芯片由溫度和濕度探頭、校準(zhǔn)存儲器、1

4、4位模數(shù)轉(zhuǎn)換器及雙向I/O串行輸出接口組成。輸出的串行數(shù)據(jù)可達(dá)14位。紅外傳感器采用GH-718人體紅外傳感器，靜態(tài)電流50A，具有極低的功耗。系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分主要包括網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、節(jié)點的協(xié)議棧和上位機監(jiān)控軟件。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星形網(wǎng)絡(luò)、樹形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)三類。星型網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都只能與協(xié)調(diào)器(匯聚節(jié)點)通信，且必須在協(xié)調(diào)器的射頻范圍之內(nèi)，協(xié)調(diào)器理論上最多能連接65535個節(jié)點。樹形網(wǎng)絡(luò)由星型網(wǎng)絡(luò)通過路由器擴展而成，其彈性覆蓋范圍大，路由方式簡單，能容納更多的節(jié)點。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有自修復(fù)功能，一般情況下能自動選擇最優(yōu)路徑提高鏈路質(zhì)量。本監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點數(shù)量有限，節(jié)點位置較為固定

5、，采用樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。終端節(jié)點負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，路由節(jié)點除了采集數(shù)據(jù)之外還負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)。樹形拓?fù)渲械母鞴?jié)點只負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳給其上級的父節(jié)點，直到傳至匯聚節(jié)點。協(xié)議棧介紹節(jié)點軟件部分以TI公司基于ZigBee 2006協(xié)議棧的Z-Stack為基礎(chǔ)，通過添加傳感器采集函數(shù)和應(yīng)用層函數(shù)完成。Z-Stack協(xié)議棧是以簡單的任務(wù)輪詢形式運行的，各任務(wù)模塊由各自的時間標(biāo)志位觸發(fā)。應(yīng)用層循環(huán)中兩個傳感器驅(qū)動函數(shù)完成溫度和濕度數(shù)據(jù)的讀取，紅外和煙霧事件則以查詢中斷標(biāo)志位的方式?jīng)Q定是否發(fā)送紅外煙霧信息。按照節(jié)點的類型不同，其工作流程如圖3所示。圖3      &#

6、160;  三類節(jié)點工作流程上位機監(jiān)控軟件 上位機的監(jiān)控軟件用C+面向?qū)ο笳Z言編寫，內(nèi)含串口驅(qū)動程序，通過串口和匯聚節(jié)點連接，負(fù)責(zé)接收并顯示所采集的數(shù)據(jù)，其界面如圖4所示。圖4        上位機監(jiān)控終端網(wǎng)絡(luò)顯示部分內(nèi)嵌倉庫地圖，各節(jié)點根據(jù)實際位置在圖中對應(yīng)擺放，能顯示出樹形的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)某節(jié)點檢測到煙霧時，網(wǎng)絡(luò)顯示圖中該節(jié)點變?yōu)榧t色。若某節(jié)點檢測到紅外信號，該節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)顯示圖中變?yōu)槌壬Ｓ捎诠?jié)點在內(nèi)嵌地圖中與實際位置相對應(yīng)，因而能根據(jù)圖中節(jié)點判斷出倉庫中出現(xiàn)紅外或煙霧事件的具體地點。溫度和濕度則通過右

7、側(cè)的坐標(biāo)圖顯示。圖中能夠顯示倉庫溫度和濕度的平均值隨時間變化的曲線，縱軸為溫度和濕度的平均值，橫軸為時間，時間軸的范圍為24小時。每隔一個周期(十分鐘)，根據(jù)接收數(shù)據(jù)顯示出一個溫濕度曲線。低功耗設(shè)計在整個網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，降低功耗是一個重要因素。雖然倉庫中容易到達(dá)任何位置，但功耗大引起的頻繁更換電池會降低節(jié)點的壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文中各節(jié)點設(shè)計時出于降低功耗的考慮，在Z-Stack協(xié)議棧中引入了CC2430芯片的休眠機制。終端節(jié)點每隔十分鐘喚醒一次并發(fā)送數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入休眠模式二(PM2)以節(jié)約能量。路由節(jié)點和匯聚節(jié)點擔(dān)負(fù)著轉(zhuǎn)發(fā)子節(jié)點數(shù)據(jù)的任務(wù)，沒有引入休眠機制。測試結(jié)果各節(jié)點燒寫程序后安放在房間各個角落，能夠順利組網(wǎng)并發(fā)送數(shù)據(jù)至上位機。直線無障礙傳輸距離達(dá)到3040米，有障礙(一堵墻)時能達(dá)到10米，兩種情況下都沒有丟包發(fā)生。最大通信速率為每秒鐘30個字節(jié)。終端節(jié)點采用周期休眠形式，整個周期的實際電流小于7mA，持續(xù)工作時間能夠達(dá)到一周，然后由外接充