ZigBee無(wú)線多區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韋 佳 何 磊 顧曉峰 朱兆旻

(輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，江蘇 無(wú)錫 214122;江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院2，江蘇 無(wú)錫 214122;中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所3，江蘇 蘇州 215123)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，與生產(chǎn)、生活密切相關(guān)的倉(cāng)儲(chǔ)物流業(yè)得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。現(xiàn)代化的倉(cāng)儲(chǔ)物流管理正面臨著越來(lái)越高的信息化和智能化要求。貨物出入庫(kù)、庫(kù)存管理和貨物狀態(tài)監(jiān)測(cè)等過(guò)程會(huì)帶來(lái)大量信息，這些信息通常與管理質(zhì)量和效率緊密相關(guān)。應(yīng)用于物品倉(cāng)儲(chǔ)流通過(guò)程的傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大多采用有線方式傳輸數(shù)據(jù)[1]，其布線和維護(hù)成本高，不適合大規(guī)模布網(wǎng)，且組網(wǎng)靈活性受到很大限制。為了高效合理地獲取相關(guān)信息并進(jìn)行處理，可借助于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[2]。

ZigBee技術(shù)是一種新興的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作在2.4 GHz(全球通用)頻段上，傳輸速率為250 kbit/s。在ZigBee協(xié)議棧中，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層采用IEEE 802.15.4協(xié)議，上層協(xié)議則由ZigBee聯(lián)盟定義并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[3]。相比高成本、高能耗的 Bluetooth和WiFi，ZigBee技術(shù)具有組網(wǎng)靈活、功耗小和成本低等優(yōu)點(diǎn)[4]，它能更好地滿足倉(cāng)儲(chǔ)物流業(yè)的應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，并定義了全功能設(shè)備(full function device，F(xiàn)FD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(reduced function device，RFD)這兩種類(lèi)型的物理設(shè)備。FFD節(jié)點(diǎn)具有路由功能，即可以和其他任何設(shè)備進(jìn)行通信，并將RFD節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)傳遞到其他設(shè)備;RFD節(jié)點(diǎn)只能和FFD節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，經(jīng)過(guò)FFD節(jié)點(diǎn)可以將信息傳送出去。由于RFD節(jié)點(diǎn)功能簡(jiǎn)單，所以運(yùn)行成本和能耗極低，適合大量部署和長(zhǎng)時(shí)間使用，可以作為傳感器網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因此，系統(tǒng)采用了RFD節(jié)點(diǎn)作為傳感器終端，F(xiàn)FD節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)路由和網(wǎng)關(guān)。這樣既增強(qiáng)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的靈活性，又可顯著降低布網(wǎng)成本。

系統(tǒng)主要由子網(wǎng)關(guān)、基站、終端和服務(wù)器組成[5]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。終端是一個(gè)攜帶溫濕度傳感器的RFD節(jié)點(diǎn)，能夠即時(shí)接入最近的基站，并定期上報(bào)溫濕度信息。基站具有子網(wǎng)內(nèi)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，并且可以作為父節(jié)點(diǎn)為新加入的終端分配網(wǎng)絡(luò)地址，并收回已加入其他基站的終端網(wǎng)絡(luò)地址，還可用作轉(zhuǎn)發(fā)終端的無(wú)線信號(hào)和定位終端的參考節(jié)點(diǎn)。子網(wǎng)關(guān)作為一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，具有組建和配置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的功能，它同時(shí)通過(guò)TCP/IP接口與以太網(wǎng)中的服務(wù)器建立連接。服務(wù)器與每個(gè)子網(wǎng)關(guān)建立連接，存儲(chǔ)并處理接收到的信息，并向指定的子網(wǎng)關(guān)發(fā)送配置指令，同時(shí)可供遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)訪問(wèn)。每個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域都有一個(gè)子網(wǎng)關(guān)，子網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)有一個(gè)相互區(qū)別的網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)(PAN ID)。

圖1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture of monitoring system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

終端硬件主要由CC2430芯片、SHT10傳感器和電源管理模塊等一些外圍電路組成[6]，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 終端硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware structure of the terminal

CC2430是 TI公司推出的一款 SoC芯片，符合IEEE 802.15.4所定義的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)，它整合了1個(gè)先進(jìn)的高性能RF收發(fā)器、1個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU、128 kB Flash存儲(chǔ)器和8 kB RAM等，能以極低的成本構(gòu)建ZigBee節(jié)點(diǎn)。SHT10傳感器是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的一款數(shù)字溫濕度集成傳感器，具有能耗低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。它由1個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和1個(gè)能隙式測(cè)溫元件組成，能與1個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器和串行接口電路無(wú)縫接合。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，終端與被檢測(cè)物體綁定，并采用電池供電[7]。

與終端硬件結(jié)構(gòu)相比，基站少接1個(gè)SHT10傳感器?；驹趨f(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層中定義為FFD節(jié)點(diǎn)，采用固定外接電源。子網(wǎng)關(guān)為實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的融合，在基站硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過(guò)串行接口添加了1個(gè)NEPORT-L串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊。該模塊實(shí)現(xiàn)了RS-232接口與以太網(wǎng)接口的互通[8]，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)子網(wǎng)與服務(wù)器之間的通信。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用Chipcon公司提供的ZigBee 2006協(xié)議棧[9]。終端通過(guò)向基站發(fā)送無(wú)線信號(hào)上報(bào)采集到的溫濕度信息[10]，信息包含了終端設(shè)備的64位MAC地址(出廠后始終不變)、終端父節(jié)點(diǎn)基站地址以及所在區(qū)域PAN ID和傳感器采集到的溫濕度值(溫度取值精確到±1 K)。本系統(tǒng)中所有類(lèi)型的數(shù)據(jù)幀以0x02開(kāi)頭，后2個(gè)字節(jié)Cluster ID標(biāo)記數(shù)據(jù)幀的消息類(lèi)型，規(guī)定終端上報(bào)的數(shù)據(jù)幀Cluster ID為0x0024。

當(dāng)終端遠(yuǎn)離父節(jié)點(diǎn)基站而接近另一個(gè)基站時(shí)，終端會(huì)加入更近的基站，并重新獲得網(wǎng)絡(luò)地址。終端的基本軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 終端軟件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Software structure of the terminal

子網(wǎng)關(guān)將所在區(qū)域內(nèi)各個(gè)基站信息匯總，通過(guò)TCP/IP連接發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器上。服務(wù)器接收到信息并存儲(chǔ)，以待進(jìn)一步處理。當(dāng)一個(gè)終端持續(xù)一段時(shí)間沒(méi)有上報(bào)信息，基站即判定終端已離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，隨后將收回所分配的網(wǎng)絡(luò)地址。

4 測(cè)試結(jié)果

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，布置了3個(gè)相互隔絕的房間作為監(jiān)測(cè)區(qū)域，在每個(gè)區(qū)域布置1個(gè)子網(wǎng)關(guān)和3個(gè)基站。子網(wǎng)關(guān)接入以太網(wǎng)，并在此環(huán)境下測(cè)試終端上報(bào)數(shù)據(jù)的可靠性。在不影響測(cè)試結(jié)果的前提下，測(cè)試系統(tǒng)使用微型計(jì)算機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，并選用1個(gè)終端進(jìn)行測(cè)試。為防止PAN ID出現(xiàn)重復(fù)，將所有子網(wǎng)關(guān)放在同一區(qū)域內(nèi)進(jìn)行初始化并建立各自的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。布置完畢后，使終端依次進(jìn)入這3個(gè)房間區(qū)域并上報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，上報(bào)周期為1 min，服務(wù)器端通過(guò)TCP調(diào)試接收到的終端上報(bào)數(shù)據(jù)，并顯示在PC機(jī)上。

分析測(cè)試數(shù)據(jù)可知，終端MAC地址為0x35008CC90E8C47C9，先后進(jìn)入的房間為1號(hào)房間(0x1F19)、2號(hào)房間(0x287C)、3 號(hào)房間(0x287B)。終端首先到達(dá)1號(hào)房間的0x0001和0x287B基站附近;然后進(jìn)入2號(hào)房間，先后到達(dá)了0x0001、0x287B、0x143E基站附近;最后進(jìn)入3號(hào)房間，先后到達(dá)了0x0001和0x143E基站附近。在這3個(gè)房間所測(cè)得的溫濕度為 0x1A(26℃)、0x44～0x45(68% ～69%RH)。更多測(cè)試表明，該系統(tǒng)的測(cè)試值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)吻合。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文將傳統(tǒng)的TCP/IP通信協(xié)議與新興的ZigBee協(xié)議相融合[11]，提出了一種ZigBee多區(qū)域無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)兼具這兩種通信協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，即長(zhǎng)距離且可靠的數(shù)據(jù)傳輸和低成本的靈活組網(wǎng)。對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)進(jìn)行了多次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況符合，能滿足即時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅兄谔岣攥F(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)物流管理的效率和自動(dòng)化程度。

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