唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，高定國

(西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩 850000)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在西藏糧倉監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，高定國

(西藏大學(xué)工學(xué)院，拉薩 850000)

針對(duì)當(dāng)前溫濕度采集系統(tǒng)存在的缺陷，并參考基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的西藏糧倉監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的西藏糧倉監(jiān)控系統(tǒng)，包括系統(tǒng)的總體架構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本系統(tǒng)相比傳統(tǒng)溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量誤差小很多。

溫濕度采集;ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1 研究現(xiàn)狀

當(dāng)前大部分應(yīng)用于西藏糧倉的糧情監(jiān)測(cè)的溫濕度采集系統(tǒng)存在如下缺點(diǎn):①需在倉庫中布置大量線纜以保持通信，不但使安裝過程產(chǎn)生的費(fèi)用高，而且導(dǎo)致系統(tǒng)部件維護(hù)和拆解繁雜，不易維修和更換有問題的傳感器，對(duì)于系統(tǒng)的正常運(yùn)行影響很大;②電子器件的電容和線纜的電阻在很大程度上決定了測(cè)量誤差，而且這些電子部件易接觸靜電和雷電，導(dǎo)致無法正常工作，甚至引發(fā)倉庫火災(zāi);③操作工人需定時(shí)到倉庫查看相關(guān)儀器，錄入溫濕度。這種傳統(tǒng)方法受人為因素制約很大，無法保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性;④落后的人工定時(shí)錄入數(shù)據(jù)方式和手工制表的模式影響數(shù)據(jù)處理、生產(chǎn)管理的時(shí)效性，最終降低了監(jiān)測(cè)效率，導(dǎo)致突發(fā)、緊急情況的預(yù)警和處理措施產(chǎn)生延后。

隨著西藏地區(qū)的快速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的明顯提高，除了穩(wěn)定的軍隊(duì)供需糧和防止自然災(zāi)害的儲(chǔ)備糧，糧食在食品加工方面的需求量呈遞增趨勢(shì)，糧食儲(chǔ)藏量顯著上升，對(duì)糧食存儲(chǔ)的質(zhì)量指標(biāo)要求也愈來愈多?？紤]以上因素，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的西藏糧倉監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可根據(jù)具體狀況設(shè)定預(yù)警閥值，一旦溫濕度超出閥值會(huì)立即預(yù)警［1］，實(shí)現(xiàn)了短信/電話/ GPRS智能化管理。值班人員可通過撥打電話或發(fā)送短信隨時(shí)隨地查看實(shí)時(shí)的報(bào)警狀況和溫濕度數(shù)據(jù)。無線傳感數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)支持電源報(bào)警功能，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電量不足或斷電時(shí)，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)撥打語音報(bào)警電話或發(fā)送報(bào)警短信/北斗短報(bào)文。

與普通的西藏糧倉監(jiān)控系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的糧倉監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)安裝溫度和濕度無線傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)無需布線，極大地降低了系統(tǒng)成本。只要節(jié)點(diǎn)在有效無線通訊區(qū)域內(nèi)和優(yōu)化的路由結(jié)構(gòu)選擇中，就可以自由選擇節(jié)點(diǎn)的位置，這使得工作人員可以更加便捷地鋪設(shè)和組織無線網(wǎng)絡(luò)，更利于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化性;

2)遭遇集中性降水或浸水時(shí)，防水性能突出的溫度和濕度無線傳感器節(jié)點(diǎn)在極潮濕的環(huán)境中也能正常工作，增強(qiáng)了節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)性，降低了人工支出成本和相關(guān)維護(hù)費(fèi)用;

3)溫度和濕度無線傳感器節(jié)點(diǎn)的安裝、維護(hù)操作更簡(jiǎn)易、方便，減少了操作人員的工作量，使電子設(shè)備監(jiān)控化管理更加方便快捷，有效維持了系統(tǒng)健康、高效的運(yùn)作。

4)當(dāng)糧倉需要拆卸或翻新時(shí)，溫度和濕度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不存在有線連接方面的問題，可以隨意拆解、組合，且運(yùn)輸便捷，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的重復(fù)利用。

5)溫濕度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，各子系統(tǒng)可方便地連接，值班人員可調(diào)節(jié)糧倉的溫度和濕度［2］。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

配有射頻發(fā)射和接收裝置的無線傳感器節(jié)點(diǎn)呈規(guī)則性散布在糧倉待測(cè)區(qū)間。帶有控制單元的節(jié)點(diǎn)控制所監(jiān)控糧倉范圍內(nèi)的溫濕度傳感器，及時(shí)發(fā)送控制命令和調(diào)整拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，從而完成數(shù)據(jù)的采集、預(yù)處理，并使普通節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)向上傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。通過收集匯聚節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心可有效管理和控制倉庫監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)的命令下達(dá)和數(shù)據(jù)采集，還可根據(jù)需求(如收集數(shù)據(jù)的范圍和精度)設(shè)置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用金字塔式的層次化構(gòu)造，而每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)為分簇式構(gòu)造，基于簇的層次化構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)在于擁有分布式處理能力，簇頭(無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的某一匯聚節(jié)點(diǎn))是分布式處理的核心。簇的每個(gè)節(jié)點(diǎn)成員把采集的數(shù)據(jù)傳給簇頭，簇頭剔除冗余數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，再將數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控中心［3］。管理員主機(jī)向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送操縱命令，通過軟件智能分析、顯示和打印采集到的各節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)，最終向管理者提供完整的分析后的數(shù)據(jù)圖表用于查看和分析。倉庫管理站的專業(yè)工作人員根據(jù)統(tǒng)計(jì)和智能分析的數(shù)據(jù)向西藏本地糧倉管理人員進(jìn)行及時(shí)的信息反饋與應(yīng)急措施的提示，并提出相關(guān)意見。

3 基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

3．1 ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗少、體積小、適應(yīng)能力強(qiáng)，因此便于在糧倉中組織，可滿足西藏糧倉監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的特別需要。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率為0～3.6 dbm，通信范圍約40～80 m，兼具能耗監(jiān)示、鏈路狀態(tài)顯示功能。通過相應(yīng)的監(jiān)示數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)可自主控制發(fā)射功率，以最低的能量消耗維持通信實(shí)時(shí)連通性，保持通信質(zhì)量的安全可靠，確保網(wǎng)絡(luò)利用率的最大化。

圖1 基于ZigBee協(xié)議的傳感器節(jié)點(diǎn)器件連接圖

若從實(shí)現(xiàn)功能方面劃分圖1中的各種模塊，則該節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)模塊可分為濕度和溫度傳感器監(jiān)測(cè)模塊、CC2420信息收發(fā)模塊、RS232模塊和MSP430F1611控制器模塊。當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)間沒有數(shù)據(jù)交換時(shí)，它們處于休眠狀態(tài)，此時(shí)普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)以較低的能耗掃描信道。當(dāng)濕度和溫度傳感器監(jiān)測(cè)到模塊周邊的環(huán)境參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，節(jié)點(diǎn)促使ZigBee模塊發(fā)生I/O中斷事件，傳給ZigBee模塊相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，喚醒處于休眠態(tài)的該模塊。該模塊利用智能控制部件處理完信息后，以無線方式將數(shù)據(jù)傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，減少了節(jié)點(diǎn)間采集數(shù)據(jù)的傳送量，提高了通信效率［4］。傳感器節(jié)點(diǎn)選取MSP430F1611控制器，該控制器具有低能耗、高性能、高穩(wěn)定性且外部可連通、可拓展資源豐富(雙UART口、雙I2C總線和雙SPI總線)等優(yōu)勢(shì)，在西藏高寒缺氧、干燥少雨的極端惡劣環(huán)境下，確保了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3．2 CC2420信息收發(fā)模塊

CC2420無線收發(fā)芯片基于SmartRF03技術(shù)，可兼容IEEE802.15.4(2.4 GHz)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。它采用功率低、體積小、集成度高的0.18 μm CMOS先進(jìn)工藝生產(chǎn)，可低能耗且高效地完成多樣化的任務(wù)。正常工作條件下，基本不需要外圍功能電路功能性的連接，實(shí)現(xiàn)了與主控制器接口的簡(jiǎn)潔化連接，使得模塊方面相應(yīng)的操作和控制簡(jiǎn)便化［5］。如圖2所示，CC2420的兼容性很強(qiáng)，由于它簡(jiǎn)單化了外圍電路和處理器接口，加之低廉的價(jià)格和良好的性能，使ZigBee網(wǎng)絡(luò)具備很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

MCU(微控制器)是傳感器節(jié)點(diǎn)的控制中心。本文采用的MSP430F1611控制器內(nèi)部有足夠的存儲(chǔ)空間，它集成的Flash和RAM不但使得各種協(xié)議正常工作，而且為協(xié)議的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)提供了便利。該系統(tǒng)采用基于中斷方式的喚醒操作，可通過I/O中斷喚醒處于休眠模式的模塊，有利于節(jié)能，極大延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)中，射頻收發(fā)器CC2420處于從機(jī)模式，MSP430F1611處于主機(jī)工作狀態(tài)，可以讀寫緩沖區(qū)數(shù)據(jù)、靈活改變CC2420寄存器中的參數(shù)，這些都需要通過SPI接口實(shí)現(xiàn)。圖2所示為具體的引腳接線。此芯片是有源RF收發(fā)器件，工作頻率為2.4 GHz，能耗小、可支持IEEE802.15.4協(xié)議。它具有如下功能:監(jiān)控電量，低于極限值時(shí)預(yù)警;可調(diào)控發(fā)射功率，由相關(guān)編程操作實(shí)現(xiàn);數(shù)據(jù)傳輸速率有效，選用250 kb/s中低速率，減少了沖突和數(shù)據(jù)丟失;選用直接序列頻率的DSSS(擴(kuò)頻)技術(shù)，抗干擾性強(qiáng)、隱蔽性好、易于實(shí)現(xiàn)碼分多址;發(fā)射和接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)選用獨(dú)立的128字節(jié)數(shù)據(jù)，增加了可靠性和緩存量。通過CSn，SCLK，SO和SI這4條SPI總線，CC2420可相應(yīng)設(shè)置芯片的工作模式，使其處于休眠或喚醒狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)寄存器或緩存區(qū)的讀/寫數(shù)據(jù)操作等。

圖2 CC2420和MCU引腳連接圖

3.3 溫度和空氣相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)模塊

圖3，4分別是溫度和空氣相對(duì)濕度監(jiān)測(cè)的線路圖。由于有較高的輸出電壓和較好的電壓線性度，HIH3605不需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)整、放大，以及其他信號(hào)相關(guān)操作，可以對(duì)電壓直接讀取或輸出。集成10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器在PIC18F4620控制器內(nèi)部，使得HIH3605的輸出信號(hào)可直接連接到PA口，將模擬數(shù)值轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)值，從而直接得出對(duì)應(yīng)的濕度數(shù)字信號(hào)值［6］。

圖3 基于DS18B20的溫度監(jiān)測(cè)電路

圖4 基于HIH3605的濕度監(jiān)測(cè)電路

4 軟件設(shè)計(jì)

協(xié)議棧的主要任務(wù)包括如下:①遭遇突發(fā)情況時(shí)(例如無線通信節(jié)點(diǎn)周邊的環(huán)境因子和無線鏈接通信質(zhì)量反復(fù)變化)，能及時(shí)做出反應(yīng)并正確處理，網(wǎng)絡(luò)能自組織、自恢復(fù);②能快速而精確地選擇路由(包括自主判斷、選擇最佳路由和備選路徑)，確保信息高效安全地通過各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞竭_(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，滿足實(shí)時(shí)連接要求。

針對(duì)西藏糧倉監(jiān)控中心傳送的地址，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)采用I/O中斷的方式進(jìn)行處理。當(dāng)傳送地址與本節(jié)點(diǎn)的地址相同時(shí)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行有關(guān)指令。監(jiān)控中心發(fā)出溫度和濕度模數(shù)轉(zhuǎn)換命令包給網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點(diǎn)。收到監(jiān)控中心發(fā)來的命令包后，該節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)DS18B20和HIH3605模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后反傳給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心接收到節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包后進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，若正確，監(jiān)控中心返回一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)包以確認(rèn)所收到的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的正確性［6］。若傳輸過程中發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，則節(jié)點(diǎn)或監(jiān)控中心要求節(jié)點(diǎn)重發(fā)數(shù)據(jù)，直到發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)全部得到確認(rèn)為止。

4.1 監(jiān)控中心

數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控模塊、配置模塊組成監(jiān)控中心。通過GSM網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控中心與若干匯聚節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)無線連接。監(jiān)控模塊一直處于監(jiān)控通信端口狀態(tài)，它對(duì)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后上報(bào)的數(shù)據(jù)采取及時(shí)操作，包括信息的接收、分析、處置，同時(shí)發(fā)送相關(guān)指令給ID相異的匯聚節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)整，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的高效信息采集任務(wù)。

4.2 基于需求時(shí)喚醒的模式

針對(duì)普通節(jié)點(diǎn)與ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)間的通信，為解決增加ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的容量和節(jié)點(diǎn)能源供給問題，普通節(jié)點(diǎn)和ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)之間的工作模式為基于需求時(shí)喚醒的模式，此模式可降低節(jié)點(diǎn)同時(shí)上報(bào)信息的沖突概率，極大程度地節(jié)約了節(jié)點(diǎn)的能耗，拓寬了節(jié)點(diǎn)發(fā)生調(diào)頻的周期，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)使用壽命［7-10］。節(jié)點(diǎn)間通信的初始化和信息處理過程如下:

在通信開始之前，ZigBee模塊先進(jìn)行有效的初始化過程，普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)間的初始化流程見圖5。初始化通信過程開始時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)自主廣播建立連接數(shù)據(jù)包，如果相應(yīng)節(jié)點(diǎn)成功接收信息，則節(jié)點(diǎn)對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)幀和MAC指令幀進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證通過后，向匯聚節(jié)點(diǎn)返回確認(rèn)幀，節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊將工作模式置為休眠模式，等待下一個(gè)喚醒信號(hào)［11］。普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)采用微小化、能耗少(信號(hào)線寄生供電或電源供電)的溫度傳感器DS18B20。DS18B20采用可編程的顯示方式和雙向通訊的單總線結(jié)構(gòu)，精確度高、監(jiān)測(cè)溫度的范圍廣，可將測(cè)得的溫度模擬數(shù)值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)值并輸出。它在功能方面的主要特征如下:①無需外界部件的配合即可實(shí)現(xiàn)實(shí)際環(huán)境的測(cè)溫;②預(yù)警溫度上下限值(TH，TL)可靈活設(shè)定，預(yù)警信息可通過預(yù)警搜索命令獲得;③在模塊中集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器和溫度傳感器，通過傳感器溫度讀數(shù)值和每攝氏度補(bǔ)償溫度數(shù)值，以及相關(guān)計(jì)算公式可提升溫度值準(zhǔn)確度。控制/狀態(tài)寄存器的情況決定了DS18B20的工作狀態(tài)，在沒有讀取信息的條件下，DS18B20的工作能耗很小。

4.3 濕度監(jiān)測(cè)模塊

圖4為濕度測(cè)量模塊。濕度傳感器HIH3605具有集成化、高靈敏性的顯著優(yōu)勢(shì)。HIH3605輸出電壓為線性，能輸出與濕度成線性關(guān)系的信號(hào)，且為標(biāo)準(zhǔn)的伏特電壓信號(hào)。濕度監(jiān)測(cè)范圍可擴(kuò)展到1%～99%RH，在室溫情況下，濕度監(jiān)測(cè)偏差和線性度偏差大幅縮小，分別控制在±2%RH和± 0.5%RH。濕度、環(huán)境溫度和供電電壓數(shù)值決定了HIH3605的輸出電壓函數(shù)。實(shí)際監(jiān)測(cè)中，求取25℃室溫條件下的空氣相對(duì)濕度值以下述條件為前提:普通節(jié)點(diǎn)中的ZigBee模塊工作狀態(tài)為主模式狀態(tài)，等待出于需求的喚醒操作的連接請(qǐng)求;普通節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)由從模式轉(zhuǎn)換為主模式，發(fā)出連接請(qǐng)求命令，等候來自匯聚節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)，而匯聚節(jié)點(diǎn)模塊此時(shí)的工作狀態(tài)為從模式狀態(tài)［12］。初始化結(jié)束后，普通節(jié)點(diǎn)ZigBee模塊工作模式變?yōu)樾菝吣Ｊ?，在沒有被喚醒的情況下，它拒絕包括連接請(qǐng)求在內(nèi)的任何相關(guān)操作，如圖5所示。這種基于需求時(shí)喚醒的設(shè)計(jì)極大降低了節(jié)點(diǎn)能耗，只有在被需求的條件下，普通節(jié)點(diǎn)才被喚醒并自主連接匯聚節(jié)點(diǎn)，從而有效地約束了普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間的不合理連接，排除了影響普通節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間通訊可靠性與安全性的因素。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到所在環(huán)境因子的參數(shù)改變時(shí)，ZigBee模塊開始信息處理過程。在簡(jiǎn)單地處理完信息后，普通節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊自主發(fā)起連接建立的請(qǐng)求并向匯聚節(jié)點(diǎn)傳送處理后的信息，詳細(xì)流程見圖6。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)從節(jié)能角度出發(fā)，其絕大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)。一般情況下，普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊進(jìn)行低能耗掃描信道活動(dòng)，節(jié)點(diǎn)只需每隔一個(gè)周期監(jiān)聽所在子網(wǎng)的信道，判斷是否存在發(fā)送給自己或需要自己處理的數(shù)據(jù)信息。這種方式極大降低了節(jié)點(diǎn)的能量損耗值，既延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的使用壽命，又保證了信道傳輸數(shù)據(jù)量的最大化。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本文設(shè)計(jì)的西藏糧倉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與原系統(tǒng)進(jìn)行溫度與空氣相對(duì)濕度的監(jiān)測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。通過2013年兩系統(tǒng)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)照可以證明新設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的先進(jìn)性。實(shí)際監(jiān)測(cè)中，在西藏拉薩的某倉庫中，在一年中不同月份不同位置布置若干帶有溫度和濕度傳感器模塊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。為了進(jìn)行直觀的比較，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)旁放置水銀溫度計(jì)和濕球溫度計(jì)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)月份所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)值并計(jì)算出每月的平均值。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用精確度較高的數(shù)字溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器HIH3605。與之對(duì)比的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為水銀溫度計(jì)和濕球溫度計(jì)，水銀溫度計(jì)刻度為0.1℃，最小精確度為0.05℃;濕球溫度計(jì)刻度為0.1%RH，最小精確度為0.05%RH。表1，2是本系統(tǒng)和傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較。

圖5 初始化通信流程

圖6 信息處理流程

從表1，2所示的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和比較結(jié)果可以看出:基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的西藏糧倉監(jiān)控系統(tǒng)溫濕度測(cè)量誤差較小，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差主要由節(jié)點(diǎn)在測(cè)量過程中客觀存在的誤差引起，信息處理與數(shù)據(jù)傳輸過程中造成誤差的可能性很小。

表1 兩種系統(tǒng)監(jiān)測(cè)溫度數(shù)據(jù)比較℃

表2 兩種系統(tǒng)監(jiān)測(cè)濕度數(shù)據(jù)比較(%RH)

6 結(jié)束語

相比當(dāng)前的溫濕度采集系統(tǒng)，基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的西藏糧倉監(jiān)控系統(tǒng)有著明顯的優(yōu)點(diǎn)。本文從總體構(gòu)架、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)方面詳細(xì)描述了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的西藏糧倉監(jiān)控系統(tǒng)，并分析了兩種系統(tǒng)監(jiān)測(cè)對(duì)比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。西藏因寒冷的天氣而被視作地球的“第三極”，寒冷的氣候加上因高海拔而形成的強(qiáng)烈太陽輻射和長(zhǎng)年干燥氣候等險(xiǎn)惡條件，為糧食等食品的儲(chǔ)藏帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；赯igBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的西藏糧倉監(jiān)控系統(tǒng)既節(jié)約了硬件的投入成本和人力資源，又極大提升了食品的監(jiān)控水平，將在西藏食品監(jiān)控和其他領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

［1］何建華，羅飛，張足生，等.基于ZigBee技術(shù)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31(15):54-57.

［2］李強(qiáng)，田園棟.基于DS18B20的室內(nèi)智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2012，20(3):34-36.

［3］張瑞華，高蕊.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用研究［J］.信息科技，2009(17):513.

［4］羅華，魯五一，熊紅云.ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)［J］.可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2010(1):53 -61.

［5］馬昌訓(xùn)，吳運(yùn)新，孫科軍.CC2420和MMA7260的無線傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010(4):52-54.

［6］梁俊斌，王建新，李陶深，等.傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于樹的最大生命精確數(shù)據(jù)收集［J］.軟件學(xué)報(bào)，2010，21(9): 2259-2303.

［7］李彤，李闖，常成.基于ZigBee協(xié)議的短距離無線通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2012(7):103-105.

［8］張?zhí)旌?，秦效輝，凌旭，等.基于ZigBee的中低速汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013 (2):19-22.

［9］趙林靜，陳文文.基于物聯(lián)網(wǎng)和Zigbee技術(shù)的圖書館火情監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.西南師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013(12):158-163.

［10］夏青，康國華，成婧，等.基于ZigBee的室內(nèi)手持定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.四川兵工學(xué)報(bào)，2013(9):115-118.

［11］褚家美.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)［J］.南京師范大學(xué)學(xué)報(bào):工程技術(shù)版，2010，10(4):8-11.

［12］曹鵬飛，趙振.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究綜述［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2012，28(9):289-391.

(責(zé)任編輯 楊黎麗)

Application of Tibetan Granary Monitoring Research Based on ZigBee Wireless Sensor Network

TANG Song，NIMA Zha-xi，GESANG Duo-ji，GAO Ding-guo
(Institute of Technology，Tibet University，Lhasa 850000，China)

The current temperature and humidity acquisition system has defects，considering the advantages of Tibetan granary monitoring system based on ZigBee wireless sensor network.Tibetan granary monitoring system based on ZigBee wireless sensor network is proposed，including system overall architecture，hardware design and software design.Experimental results show that the system measurement error is much smaller than the traditional temperature and humidity monitoring system.

temperature and humidity acquisition;ZigBee wireless sensor network

TP212

A

1674-8425(2014)08-0092-06

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.019

2014-04-12

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61331013);計(jì)算機(jī)及藏文信息技術(shù)國家級(jí)教學(xué)團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目

唐松(1985—)，男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事網(wǎng)絡(luò)與信息安全研究。

唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，等.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在西藏糧倉監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014(8):92-97.

format:TANG Song，NIMA Zha-xi，GESANG Duo-ji，et al.Application of Tibetan Granary Monitoring Research Based on ZigBee Wireless Sensor Network［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):92-97.