李修華,秦 昕,何成就,胡朋朋

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,南寧 530004）

1 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新興的、跨學(xué)科的技術(shù)，已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外多領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及無(wú)線通信技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種客觀環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理，選擇性的將有用信息傳輸給用戶[1-3]。近幾年提出的物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IOT ）概念把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)擴(kuò)展到更大應(yīng)用空間，被稱為是繼計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，并與互聯(lián)網(wǎng)一起構(gòu)成智慧地球[4,5]。

基于IEEE.802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本的無(wú)線通信技術(shù)，是目前傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)之一，目前已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的各個(gè)領(lǐng)域。比如森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)；氣象和地球物理研究；洪水檢測(cè)；化學(xué)/生物監(jiān)測(cè)；土壤礦物質(zhì)檢測(cè)；大氣環(huán)境分析等。本研究將ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到倉(cāng)庫(kù)、儲(chǔ)藏室等地方，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，免去或降低人工看守成本的目的。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由傳感器及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制器組成，傳感器包括空氣溫度、濕度、光強(qiáng)及人體紅外傳感器?？刂破鬟x擇了內(nèi)嵌了ZigBee協(xié)議的英國(guó)JENNIC公司的JN5148模塊。其系統(tǒng)總體框圖如下：

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.2 主控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

主控節(jié)點(diǎn)即控制器節(jié)點(diǎn)的首要任務(wù)是數(shù)據(jù)的匯聚和存儲(chǔ)，同時(shí)提供LCD顯示功能。首先，它先通過(guò)無(wú)線通信模塊把各節(jié)點(diǎn)的信息收集起來(lái)，然后通過(guò)處理器模塊進(jìn)行進(jìn)一步的處理，之后再進(jìn)行相應(yīng)的顯示和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)的收集、顯示、存儲(chǔ)均需要電源模塊的支持。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由顯示模塊、存儲(chǔ)模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊及電源模塊組成。

圖2 主控節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 終端及路由節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)包括終端節(jié)點(diǎn)及路由節(jié)點(diǎn)，二者都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，區(qū)別在于終端節(jié)點(diǎn)處于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的末端，只負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，可進(jìn)入休眠模式；而路由節(jié)點(diǎn)則具有“橋梁”的作用，可以對(duì)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，不能進(jìn)入休眠模式。ZigBee協(xié)議點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信距離為百米，通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)后，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離大大增加，將顯著擴(kuò)大了整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控范圍。

傳感器節(jié)點(diǎn)的首要的任務(wù)是數(shù)據(jù)采集；其次，還要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；最后，通過(guò)無(wú)線通信的方式把預(yù)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到主控節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于與傳感器的連接。本設(shè)計(jì)中，各傳感器節(jié)點(diǎn)均包含了人體紅外感應(yīng)模塊、溫濕度傳感器及光強(qiáng)傳感器。DYP-ME003 人體感應(yīng)模塊，只感應(yīng)人或動(dòng)物體發(fā)出的紅外線，可以廣泛地用于防盜報(bào)警。其主要由傳感器電路部分及菲涅耳透鏡組成。傳感器電路部分將接收到的紅外光轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；菲涅耳透鏡主要作用則是匯聚光線，其反面形成的明暗相間的可見(jiàn)區(qū)和盲區(qū)特征被用來(lái)檢測(cè)移動(dòng)的紅外熱源。當(dāng)測(cè)量范圍內(nèi)出現(xiàn)移動(dòng)的人或動(dòng)物時(shí)，傳感器將報(bào)警。

溫濕度傳感器采用的是 DHT 11數(shù)字溫濕度傳感器，體積小、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)。其采用4針單排引腳封裝，供電電壓為3.3～5.5V，相對(duì)濕度測(cè)量范圍為20-90%，溫度測(cè)量范圍為0～50℃,采用8位A/D采樣及單線制串行接口輸出。

光強(qiáng)傳感器采用的是GY-30數(shù)字光模塊。該芯片供電電壓為3-5 V，光照度測(cè)量范圍為0-65535 lx，傳感器內(nèi)置16位A/D轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)數(shù)字輸出，使用方便。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是在ECLIPSE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成的，采用了基于ZigBee協(xié)議的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。主控節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)的程序流程圖如圖3所示。主控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立并維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，接收來(lái)自本局域網(wǎng)絡(luò)中終端及路由節(jié)點(diǎn)的加入。網(wǎng)絡(luò)建成后進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待中斷事件發(fā)生。當(dāng)收到來(lái)自網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的中斷請(qǐng)求時(shí)，主控節(jié)點(diǎn)將判斷中斷消息的種類，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的傳感器數(shù)據(jù)將在控制器中處理并顯示、存儲(chǔ)。終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功后進(jìn)入休眠模式，并通過(guò)定時(shí)器對(duì)其進(jìn)行喚醒，對(duì)各傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后發(fā)送到主控節(jié)點(diǎn)，發(fā)送不成功的數(shù)據(jù)可重發(fā)一次。

圖3 程序流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境需要無(wú)人化監(jiān)管的現(xiàn)實(shí)需求，設(shè)計(jì)了一套基于JN5148 ZigBee模塊的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)在各傳感器節(jié)點(diǎn)上集成了人體紅外感應(yīng)模塊、溫濕度傳感器及光強(qiáng)傳感器，通過(guò)分布式排列，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大型、甚至超大型倉(cāng)庫(kù)的環(huán)境監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)防盜、儲(chǔ)存環(huán)境異常報(bào)警等功能。系統(tǒng)使用內(nèi)嵌的ZigBee協(xié)議及成熟的傳感器模塊，工作穩(wěn)定可靠，成本低，易于推廣。

[1]孫亭,楊永田,李立宏.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2006(06):01-05,11.

[2]李鳳保,李凌.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2005,26(08):559-561.

[3]李道亮.物聯(lián)網(wǎng)與智慧農(nóng)業(yè)[J].農(nóng)業(yè)工程,2012,02(01):1-7.

[4]鄔賀銓.物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)綜述[J].重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2010,22(05):526-531.

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