摘 要： 如果需要對條件比較惡劣的工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)是非常合適的選擇。基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠利用無線傳感器、協(xié)調(diào)器和監(jiān)控中心等形成一個無線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控節(jié)點主要通過無線傳感器獲取監(jiān)控信息，然后通過協(xié)調(diào)器和監(jiān)控中心的嵌入式網(wǎng)關(guān)連接起來。這是一種基于簇的分層結(jié)構(gòu)，其具有分布式處理能力，能將獲取的信息經(jīng)過簇頭的融合后，通過RS 232接口直接將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心。

關(guān)鍵詞： ZigBee； 物流中心； 無線傳感器； 監(jiān)控

中圖分類號： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）15?0018?03

Abstract： The ZigBee wireless sensor network is a suitable choice to monitor the poor working environment. The wireless sensor network based on ZigBee makes use of the wireless sensor， coordinator and monitoring center to form a wireless network. The monitoring node of the network acquires the monitoring information through the wireless sensor， and then the node and information are connected through the embedded gateway of monitoring center and coordinator. This network is based on the hierarchical structure of cluster， and has the distributed processing ability. The acquired information is fused through the cluster head， and then the data is transmitted to the monitoring center directly through RS 232 interface.

Keywords： ZigBee； logistics center； wireless sensor； monitoring

0 引 言

ZigBee技術(shù)屬于物流網(wǎng)中一種典型的無線組網(wǎng)技術(shù)。它基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)包括有四個層次，分別是物理層、媒體訪問層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，每層設(shè)計有自己的協(xié)議，共同完成無線通信。在物流中心的無線監(jiān)控信息系統(tǒng)中，可能需要眾多的監(jiān)測點，這些監(jiān)測點稱為協(xié)調(diào)器的節(jié)點，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)可以提供的協(xié)調(diào)器節(jié)點可以達(dá)到255個，所以一般的企業(yè)工作環(huán)境的檢測要求都能滿足。

實現(xiàn)ZigBee技術(shù)的關(guān)鍵是CC2430芯片，此芯片在該技術(shù)領(lǐng)域已非常普遍，芯片內(nèi)主要集成的內(nèi)容是存儲單元、微控制器與各種輸入輸出接口。ZigBee技術(shù)是一種模仿蜜蜂生存方式的無線通信方式，通過ZigBee技術(shù)可以實現(xiàn)短距離的、低功耗的無線通信，基于ZigBee的無線通信技術(shù)比較容易實現(xiàn)，所以它很適合于在小區(qū)范圍或者企業(yè)范圍內(nèi)的無線通信。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)目的是為了滿足企業(yè)日常工作的實時監(jiān)控，保障生產(chǎn)和防止不安全事故的發(fā)生。對于系統(tǒng)的設(shè)計原則主要有如下幾條：

（1） 實用性。實用性強(qiáng)是系統(tǒng)最核心的一個性能需求。所以無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計必須要先考慮其實用性，必須緊緊圍繞企業(yè)的日常監(jiān)控工作展開，不能有和企業(yè)的日常監(jiān)控不相關(guān)的內(nèi)容。

（2） 易用性。一個系統(tǒng)的實用性再強(qiáng)，但是監(jiān)控界面不友好，也不能稱之為一個好的無線傳感系統(tǒng)。所以實用性后就需要考慮易用性，要為無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一個簡潔、流暢的監(jiān)控界面。這樣的界面易于上手，使得用戶很容易掌握操作方法。

（3） 兼容性。兼容性同樣非常重要，好的兼容性能夠使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)的其他網(wǎng)絡(luò)以及系統(tǒng)實現(xiàn)有效的信息傳輸和共享，如果沒有兼容性，無線傳感網(wǎng)絡(luò)就會變得孤立。所以無線傳感網(wǎng)絡(luò)對于兼容性要求較強(qiáng)，需要在設(shè)計無線傳感網(wǎng)絡(luò)時充分考慮接口問題和其他網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)接口的對接。

（4） 可擴(kuò)展性。開發(fā)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，不是考慮到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前運(yùn)行情況良好就可以了，還要分析如果網(wǎng)絡(luò)升級或者擴(kuò)展功能，是否還能運(yùn)行良好，也就是網(wǎng)絡(luò)需要具備可擴(kuò)展性的需求。

1.2 總體設(shè)計

本文設(shè)計的基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要由監(jiān)控節(jié)點和監(jiān)控中心兩部分組成，如圖1所示。從圖1可以看出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)中主要包括的是通信模塊和監(jiān)控中心兩部分，其中通信模塊主要包括傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器，而監(jiān)控中心主要是嵌入式網(wǎng)關(guān)。監(jiān)控節(jié)點主要是通過無線傳感器獲取監(jiān)控信息，然后通過協(xié)調(diào)器和監(jiān)控中心的嵌入式網(wǎng)關(guān)連接起來。本文設(shè)計的無線監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)是基于簇的分層結(jié)構(gòu)，這種分層結(jié)構(gòu)具有天生的分布式處理能力。其中簇頭就是協(xié)調(diào)器，傳感器節(jié)點就是簇成員，它們將獲取的信息經(jīng)過簇頭的融合后，直接將融合后的數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心。無線傳感器和協(xié)調(diào)器之間的數(shù)據(jù)傳送都是通過ZigBee無線通信技術(shù)完成的。

2 硬件的設(shè)計

基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要硬件部件包括：CPU、無線傳感器、通信數(shù)據(jù)模塊、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理模塊等。

2.1 無線傳感器

在選擇無線傳感器時，要綜合考慮無線傳感器的價格、提議和能耗等因素。在經(jīng)過比較后，選擇使用KGS?20型號的、低功耗的無線傳感器，此無線傳感器是由二氧化錫制作的半導(dǎo)體型氣體傳感器。另一方面，此傳感器具有體積小、使用簡單、對環(huán)境變化的響應(yīng)時間快等優(yōu)點。它的反應(yīng)時間不超過20 s，復(fù)位時間不超過30 s，并且對工作的溫度和濕度沒有較高要求，在復(fù)雜環(huán)境中照常使用。該無線傳感器是低功耗的，靜態(tài)功耗為150 mW，產(chǎn)生報警時的功耗也僅為300 mW。該無線傳感器是用直流電源的方式供電，需要設(shè)定的電壓范圍在3～5 V之間。

2.2 數(shù)據(jù)通信模塊

在基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)通信模塊起到了連接和通信的作用。主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的主要節(jié)點的通信、控制信號交換和數(shù)據(jù)信息傳輸。因為系統(tǒng)使用的主要是無線通信，在設(shè)計數(shù)據(jù)通信模塊時最主要的就是要降低系統(tǒng)的能量耗損。所以在設(shè)計數(shù)據(jù)通信模塊時，需要考慮的是數(shù)據(jù)通信芯片的發(fā)射功率、數(shù)據(jù)率、調(diào)制模式等問題。通過綜合考慮，選擇了Nordic公司的nRF2401芯片作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要數(shù)據(jù)通信的節(jié)點芯片。

nRF2401的成本較低，它屬于射頻系統(tǒng)級芯片。它的功耗小、外圍元件少、體積小。nRF2401的工作頻段是2.4～2.5 GHz，符合通信協(xié)議ZigBee的要求。nRF2401有較強(qiáng)的抗干擾能力，如果需要在通信模塊使用跳頻技術(shù)，nRF2401可以通過降低發(fā)射功率的方式減少能耗。nRF2401還能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信號的打包、調(diào)制和編碼，能夠?qū)崿F(xiàn)較強(qiáng)的數(shù)據(jù)信號處理。nRF2401芯片的數(shù)據(jù)通信方式就是通過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RF信號，然后通過I/O匹配電路將轉(zhuǎn)換完成的RF信號送入天線，這樣就完成了數(shù)據(jù)信號的發(fā)送。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊是基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心模塊，系統(tǒng)幾乎所有的工作都需要數(shù)據(jù)處理模塊的支持，例如：任務(wù)調(diào)度、信息控制、通信、數(shù)據(jù)傳輸和共享等。所以，首先要為數(shù)據(jù)處理模塊選擇一個合適的處理器，在本文中選擇AT?mega128L作為數(shù)據(jù)處理模塊的處理器。ATmega128L處理器的主要部件是32個通用工作寄存器，128 KB的可編程FLASH，4 KB的E2PROM，53個通用I/O口線，4 KB的SRAM，8通道10位ADC，實時時鐘RTC，SPI串行端口，2個USART，可編程看門狗定時器，JTAG測試接口。在數(shù)據(jù)處理模塊中有一個核心裝置就是數(shù)據(jù)處理模塊的控制芯片，該芯片的主要作用就是負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個數(shù)據(jù)處理模塊各個部件的協(xié)調(diào)工作。該控制芯片還能通過I/O接口獲取當(dāng)前傳感器輸出的電壓值來感知監(jiān)控環(huán)境的變化情況，如果物流中心的環(huán)境發(fā)生變化，例如出現(xiàn)火災(zāi)等情況，物流中心的現(xiàn)場環(huán)境就會出現(xiàn)煙塵濃度超過平時數(shù)值的情況，如果濃度超標(biāo)，就通過無線傳感器傳輸?shù)慕K端進(jìn)行報警。

2.4 電源模塊

基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)若想正常工作，就必須有電源的支持，所以電源對于系統(tǒng)來講非常重要，是系統(tǒng)的所有硬件設(shè)備能正常工作的最基本保障。因此，電源模塊的設(shè)計非常重要。因為在系統(tǒng)中使用的無線傳感器是低功耗的，所以如果無線傳感器是處于空閑狀態(tài)，就可以利用未處理的I/O直接驅(qū)動，這時就不需要額外的電源支持，進(jìn)一步降低了能量的損耗。

但是，在無線傳感器處于工作狀態(tài)時，就必須使用外接電源。電源的選擇一定要慎重，因為電源的壽命直接決定了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的壽命。所以，對于整個硬件系統(tǒng)來講，最珍貴的資源是電源，良好的電源模塊是網(wǎng)絡(luò)良好運(yùn)行的前提。因為本文選擇的無線傳感器的體積較小，所以電源模塊也相應(yīng)的要選擇微型電池。本文選擇CR2032紐扣電池，該型號的紐扣電池的工作輸出電壓為2～3 V，它能提供大約200 mA·h的電流量。CR2032的放電較為平穩(wěn)，所以它的使用壽命較長，比較適合使用在本文設(shè)計的基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中。

3 軟件的設(shè)計

基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)想要正常工作，只有硬件是不行的，還需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計才行。

3.1 無線傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

本文設(shè)計的無線傳感器節(jié)點的主要作用是對企業(yè)日常工作環(huán)境的變化進(jìn)行監(jiān)測，例如企業(yè)發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致環(huán)境的濃度發(fā)生變化等。需要將采集到的數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)通信模塊上傳到監(jiān)控中心，所以無線傳感器節(jié)點的設(shè)計是整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心內(nèi)容。無線傳感器節(jié)點的工作模式主要有：睡眠模式、工作模式和喚醒模式。無線傳感器節(jié)點的簇節(jié)點工作流程如圖2所示。

從圖2可以看出，傳感器節(jié)點在開始工作后，首先無線傳感器的節(jié)點開始初始化，而后無線傳感器的節(jié)點就進(jìn)入低功耗模式，即睡眠狀態(tài)。在這個狀態(tài)下，微處理器是不工作的。而此時，系統(tǒng)的SPI端口和中斷系統(tǒng)卻照常處于工作狀態(tài)，它們隨時會接收系統(tǒng)發(fā)送的中斷請求。由于數(shù)據(jù)采集工作必須在一定時間內(nèi)進(jìn)行，超過指定的時間范圍，就必須將所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，在這種情況下，傳感器節(jié)點處于工作模式，完成數(shù)據(jù)采集并且將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心后，無線傳感器節(jié)點將重新進(jìn)入低功耗模式。在該模式下，傳感器節(jié)點進(jìn)行循環(huán)工作，從而保證物流中心日常工作環(huán)境的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

在本文的軟件設(shè)計中，基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要核心是協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設(shè)計。協(xié)調(diào)器節(jié)點首先初始化，然后協(xié)調(diào)器會自動地發(fā)送一個廣播包給網(wǎng)絡(luò)中的無線傳感器，廣播包中有該協(xié)調(diào)器對應(yīng)的簇的網(wǎng)絡(luò)ID，當(dāng)這個廣播包發(fā)送后，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器的任務(wù)就是等待該簇中無線傳感器節(jié)點的響應(yīng)。當(dāng)發(fā)送廣播包后，如果在一定的時間內(nèi)沒有無線傳感器終端節(jié)點響應(yīng)，就說明沒有新的無線傳感器節(jié)點要求加入該協(xié)調(diào)器對應(yīng)的分布式的簇，則協(xié)調(diào)器節(jié)點繼續(xù)執(zhí)行等待命令；如果無線傳感器節(jié)點對協(xié)調(diào)器的廣播包發(fā)出響應(yīng)，說明有無線傳感器節(jié)點要求加入該協(xié)調(diào)器對應(yīng)的簇，這時協(xié)調(diào)器就可以對這個無線傳感器節(jié)點進(jìn)行信息確認(rèn)，并且協(xié)調(diào)器會將該無線傳感器節(jié)點的信息進(jìn)行統(tǒng)計，然后給該無線傳感器分配一個該簇中的ID號。

協(xié)調(diào)器不僅需要和無線傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，還需要和監(jiān)測中心進(jìn)行通信，主要是向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)和接收監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和融合。協(xié)調(diào)器和監(jiān)控中心的通信是通過串口協(xié)議完成的，協(xié)調(diào)器從監(jiān)控中心那里接到第一個應(yīng)用連接信息，然后向監(jiān)控中心發(fā)送確認(rèn)信息，監(jiān)控中心接收到協(xié)調(diào)器的確認(rèn)消息后，會對協(xié)調(diào)器發(fā)送獲取無線傳感器節(jié)點信息的請求，協(xié)調(diào)器將向監(jiān)控中心發(fā)送無線傳感器節(jié)點的信息。若協(xié)調(diào)器接收到監(jiān)控中心發(fā)送的獲取無線傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)信息的請求后，協(xié)調(diào)器將該請求消息進(jìn)行處理，然后將接收到的無線傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)信息打包通過串口發(fā)送給監(jiān)控中心。如果監(jiān)控中心給協(xié)調(diào)器發(fā)送資源控制信息，協(xié)調(diào)器同樣會將這些信息轉(zhuǎn)發(fā)給各個無線傳感器節(jié)點，控制無線傳感器節(jié)點執(zhí)行相應(yīng)的動作。

4 結(jié) 語

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是近幾年通信等各個領(lǐng)域研究的熱點，ZigBee 技術(shù)屬于短距離的無線通信技術(shù)，由于其成本低、功耗低、傳輸時延低，所以其在近些年廣泛應(yīng)用于新興的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。本文設(shè)計了一個基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，利用ZigBee技術(shù)對企業(yè)的工作環(huán)境進(jìn)行無線監(jiān)控，設(shè)計了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)、硬件和軟件。通過本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對企業(yè)日常工作環(huán)境進(jìn)行無線監(jiān)測，如果企業(yè)的環(huán)境發(fā)生了變化，例如環(huán)境中煙塵的濃度超過設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，就會向監(jiān)控中心發(fā)送報警信號。系統(tǒng)如果能在物流中心進(jìn)行實施，會對企業(yè)的日常工作環(huán)境有較強(qiáng)的保障作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李皓.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2008，32（1）：12?14.

[2] 張擎，劉淑美，柴喬林.能量高效的ZigBee網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)路由策略[J].計算機(jī)工程，2010，36（7）：108?111.

[3] 邢偉偉，白瑞林，孟偉.ZigBee無線網(wǎng)關(guān)在Modbus通信中的應(yīng)用[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2011，47（29）：81?84.

[4] 李善倉，張克旺.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：54?196.

[5] 王江峰.ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué)，2010.

[6] 張敏，海博奇，鄒鵬.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的電源電壓監(jiān)控系統(tǒng)[J].通信技術(shù)，2012，45（2）：11?12.

[7] 和偉.基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)的研究與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.