ZigBee無線傳感器網絡在西藏糧倉監測中的應用

唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，高定國

(西藏大學工學院，拉薩 850000)

ZigBee無線傳感器網絡在西藏糧倉監測中的應用

唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，高定國

(西藏大學工學院，拉薩 850000)

針對當前溫濕度采集系統存在的缺陷，并參考基于ZigBee無線傳感器網絡的西藏糧倉監控系統的優點，提出了一種新的ZigBee無線傳感器網絡的西藏糧倉監控系統，包括系統的總體架構、硬件設計和軟件設計。實驗結果表明:本系統相比傳統溫濕度監測系統的測量誤差小很多。

溫濕度采集;ZigBee無線傳感器網絡

1 研究現狀

當前大部分應用于西藏糧倉的糧情監測的溫濕度采集系統存在如下缺點:①需在倉庫中布置大量線纜以保持通信，不但使安裝過程產生的費用高，而且導致系統部件維護和拆解繁雜，不易維修和更換有問題的傳感器，對于系統的正常運行影響很大;②電子器件的電容和線纜的電阻在很大程度上決定了測量誤差，而且這些電子部件易接觸靜電和雷電，導致無法正常工作，甚至引發倉庫火災;③操作工人需定時到倉庫查看相關儀器，錄入溫濕度。這種傳統方法受人為因素制約很大，無法保證數據的準確性和完整性;④落后的人工定時錄入數據方式和手工制表的模式影響數據處理、生產管理的時效性，最終降低了監測效率，導致突發、緊急情況的預警和處理措施產生延后。

隨著西藏地區的快速發展和經濟水平的明顯提高，除了穩定的軍隊供需糧和防止自然災害的儲備糧，糧食在食品加工方面的需求量呈遞增趨勢，糧食儲藏量顯著上升，對糧食存儲的質量指標要求也愈來愈多。考慮以上因素，本文設計了一種基于ZigBee無線傳感器網絡的西藏糧倉監控系統，該系統可根據具體狀況設定預警閥值，一旦溫濕度超出閥值會立即預警［1］，實現了短信/電話/ GPRS智能化管理。值班人員可通過撥打電話或發送短信隨時隨地查看實時的報警狀況和溫濕度數據。無線傳感數據節點支持電源報警功能，當節點電量不足或斷電時，節點自動撥打語音報警電話或發送報警短信/北斗短報文。

與普通的西藏糧倉監控系統相比，本文設計的糧倉監控系統具有以下優點:

1)安裝溫度和濕度無線傳感器節點時無需布線，極大地降低了系統成本。只要節點在有效無線通訊區域內和優化的路由結構選擇中，就可以自由選擇節點的位置，這使得工作人員可以更加便捷地鋪設和組織無線網絡，更利于拓撲結構的動態變化性;

2)遭遇集中性降水或浸水時，防水性能突出的溫度和濕度無線傳感器節點在極潮濕的環境中也能正常工作，增強了節點的適應性，降低了人工支出成本和相關維護費用;

3)溫度和濕度無線傳感器節點的安裝、維護操作更簡易、方便，減少了操作人員的工作量，使電子設備監控化管理更加方便快捷，有效維持了系統健康、高效的運作。

4)當糧倉需要拆卸或翻新時，溫度和濕度無線傳感器網絡節點不存在有線連接方面的問題，可以隨意拆解、組合，且運輸便捷，實現了網絡節點的重復利用。

5)溫濕度控制系統實現了自動化，各子系統可方便地連接，值班人員可調節糧倉的溫度和濕度［2］。

2 系統總體架構

配有射頻發射和接收裝置的無線傳感器節點呈規則性散布在糧倉待測區間。帶有控制單元的節點控制所監控糧倉范圍內的溫濕度傳感器，及時發送控制命令和調整拓撲網絡，從而完成數據的采集、預處理，并使普通節點采集的數據向上傳送至匯聚節點。通過收集匯聚節點的相關數據，監控中心可有效管理和控制倉庫監控，實現對匯聚節點和普通節點的命令下達和數據采集，還可根據需求(如收集數據的范圍和精度)設置相應的網絡節點。在系統結構方面，整個網絡采用金字塔式的層次化構造，而每個子網絡為分簇式構造，基于簇的層次化構造的優勢在于擁有分布式處理能力，簇頭(無線傳感器網絡的某一匯聚節點)是分布式處理的核心。簇的每個節點成員把采集的數據傳給簇頭，簇頭剔除冗余數據，進行數據融合后，再將數據傳給監控中心［3］。管理員主機向監控主機發送操縱命令，通過軟件智能分析、顯示和打印采集到的各節點的溫濕度數據，最終向管理者提供完整的分析后的數據圖表用于查看和分析。倉庫管理站的專業工作人員根據統計和智能分析的數據向西藏本地糧倉管理人員進行及時的信息反饋與應急措施的提示，并提出相關意見。

3 基于ZigBee協議的無線傳感器網絡硬件設計

3．1 ZigBee節點構造

無線傳感器網絡由于網絡節點能耗少、體積小、適應能力強，因此便于在糧倉中組織，可滿足西藏糧倉監控系統建設的特別需要。無線傳感器網絡節點的發射功率為0～3.6 dbm，通信范圍約40～80 m，兼具能耗監示、鏈路狀態顯示功能。通過相應的監示數據，節點可自主控制發射功率，以最低的能量消耗維持通信實時連通性，保持通信質量的安全可靠，確保網絡利用率的最大化。

圖1 基于ZigBee協議的傳感器節點器件連接圖

若從實現功能方面劃分圖1中的各種模塊，則該節點硬件設計模塊可分為濕度和溫度傳感器監測模塊、CC2420信息收發模塊、RS232模塊和MSP430F1611控制器模塊。當普通節點和匯聚節點間沒有數據交換時，它們處于休眠狀態，此時普通節點和匯聚節點以較低的能耗掃描信道。當濕度和溫度傳感器監測到模塊周邊的環境參數發生改變時，節點促使ZigBee模塊發生I/O中斷事件，傳給ZigBee模塊相應的數據信息，喚醒處于休眠態的該模塊。該模塊利用智能控制部件處理完信息后，以無線方式將數據傳送到匯聚節點，減少了節點間采集數據的傳送量，提高了通信效率［4］。傳感器節點選取MSP430F1611控制器，該控制器具有低能耗、高性能、高穩定性且外部可連通、可拓展資源豐富(雙UART口、雙I2C總線和雙SPI總線)等優勢，在西藏高寒缺氧、干燥少雨的極端惡劣環境下，確保了系統的正常運行。

3．2 CC2420信息收發模塊

CC2420無線收發芯片基于SmartRF03技術，可兼容IEEE802.15.4(2.4 GHz)協議標準。它采用功率低、體積小、集成度高的0.18 μm CMOS先進工藝生產，可低能耗且高效地完成多樣化的任務。正常工作條件下，基本不需要外圍功能電路功能性的連接，實現了與主控制器接口的簡潔化連接，使得模塊方面相應的操作和控制簡便化［5］。如圖2所示，CC2420的兼容性很強，由于它簡單化了外圍電路和處理器接口，加之低廉的價格和良好的性能，使ZigBee網絡具備很強的競爭優勢。

MCU(微控制器)是傳感器節點的控制中心。本文采用的MSP430F1611控制器內部有足夠的存儲空間，它集成的Flash和RAM不但使得各種協議正常工作，而且為協議的設計、實現提供了便利。該系統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，有利于節能，極大延長了節點的使用壽命。

在ZigBee網絡工作狀態中，射頻收發器CC2420處于從機模式，MSP430F1611處于主機工作狀態，可以讀寫緩沖區數據、靈活改變CC2420寄存器中的參數，這些都需要通過SPI接口實現。圖2所示為具體的引腳接線。此芯片是有源RF收發器件，工作頻率為2.4 GHz，能耗小、可支持IEEE802.15.4協議。它具有如下功能:監控電量，低于極限值時預警;可調控發射功率，由相關編程操作實現;數據傳輸速率有效，選用250 kb/s中低速率，減少了沖突和數據丟失;選用直接序列頻率的DSSS(擴頻)技術，抗干擾性強、隱蔽性好、易于實現碼分多址;發射和接收數據緩沖區選用獨立的128字節數據，增加了可靠性和緩存量。通過CSn，SCLK，SO和SI這4條SPI總線，CC2420可相應設置芯片的工作模式，使其處于休眠或喚醒狀態，從而實現狀態寄存器或緩存區的讀/寫數據操作等。

圖2 CC2420和MCU引腳連接圖

3.3 溫度和空氣相對濕度監測模塊

圖3，4分別是溫度和空氣相對濕度監測的線路圖。由于有較高的輸出電壓和較好的電壓線性度，HIH3605不需要進行信號調整、放大，以及其他信號相關操作，可以對電壓直接讀取或輸出。集成10位模數轉換器在PIC18F4620控制器內部，使得HIH3605的輸出信號可直接連接到PA口，將模擬數值轉為數字信號值，從而直接得出對應的濕度數字信號值［6］。

圖3 基于DS18B20的溫度監測電路

圖4 基于HIH3605的濕度監測電路

4 軟件設計

協議棧的主要任務包括如下:①遭遇突發情況時(例如無線通信節點周邊的環境因子和無線鏈接通信質量反復變化)，能及時做出反應并正確處理，網絡能自組織、自恢復;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絡拓撲到達目標節點，滿足實時連接要求。

針對西藏糧倉監控中心傳送的地址，系統節點采用I/O中斷的方式進行處理。當傳送地址與本節點的地址相同時，系統節點執行有關指令。監控中心發出溫度和濕度模數轉換命令包給網絡中某節點。收到監控中心發來的命令包后，該節點啟動DS18B20和HIH3605模塊將模擬信號轉換為數字信號，然后反傳給監控中心。監控中心接收到節點的數據包后進行數據檢驗，若正確，監控中心返回一個確認數據包以確認所收到的節點數據包的正確性［6］。若傳輸過程中發生數據丟失，則節點或監控中心要求節點重發數據，直到發送數據和接收數據全部得到確認為止。

4.1 監控中心

數據庫、監控模塊、配置模塊組成監控中心。通過GSM網絡，監控中心與若干匯聚節點可以實現無線連接。監控模塊一直處于監控通信端口狀態，它對匯聚節點進行數據融合后上報的數據采取及時操作，包括信息的接收、分析、處置，同時發送相關指令給ID相異的匯聚節點，從而實現對整個網絡的實時監控和拓撲結構調整，完成無線傳感器網絡節點的高效信息采集任務。

4.2 基于需求時喚醒的模式

針對普通節點與ZigBee匯聚節點間的通信，為解決增加ZigBee無線傳感器網絡的容量和節點能源供給問題，普通節點和ZigBee匯聚節點之間的工作模式為基于需求時喚醒的模式，此模式可降低節點同時上報信息的沖突概率，極大程度地節約了節點的能耗，拓寬了節點發生調頻的周期，延長了網絡使用壽命［7-10］。節點間通信的初始化和信息處理過程如下:

在通信開始之前，ZigBee模塊先進行有效的初始化過程，普通節點和匯聚節點間的初始化流程見圖5。初始化通信過程開始時，匯聚節點自主廣播建立連接數據包，如果相應節點成功接收信息，則節點對這個數據幀和MAC指令幀進行檢驗，驗證通過后，向匯聚節點返回確認幀，節點的ZigBee模塊將工作模式置為休眠模式，等待下一個喚醒信號［11］。普通節點和匯聚節點采用微小化、能耗少(信號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構，精確度高、監測溫度的范圍廣，可將測得的溫度模擬數值轉換成數字信號值并輸出。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現實際環境的測溫;②預警溫度上下限值(TH，TL)可靈活設定，預警信息可通過預警搜索命令獲得;③在模塊中集成了模數轉換器和溫度傳感器，通過傳感器溫度讀數值和每攝氏度補償溫度數值，以及相關計算公式可提升溫度值準確度。控制/狀態寄存器的情況決定了DS18B20的工作狀態，在沒有讀取信息的條件下，DS18B20的工作能耗很小。

4.3 濕度監測模塊

圖4為濕度測量模塊。濕度傳感器HIH3605具有集成化、高靈敏性的顯著優勢。HIH3605輸出電壓為線性，能輸出與濕度成線性關系的信號，且為標準的伏特電壓信號。濕度監測范圍可擴展到1%～99%RH，在室溫情況下，濕度監測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、環境溫度和供電電壓數值決定了HIH3605的輸出電壓函數。實際監測中，求取25℃室溫條件下的空氣相對濕度值以下述條件為前提:普通節點中的ZigBee模塊工作狀態為主模式狀態，等待出于需求的喚醒操作的連接請求;普通節點工作狀態由從模式轉換為主模式，發出連接請求命令，等候來自匯聚節點的響應，而匯聚節點模塊此時的工作狀態為從模式狀態［12］。初始化結束后，普通節點ZigBee模塊工作模式變為休眠模式，在沒有被喚醒的情況下，它拒絕包括連接請求在內的任何相關操作，如圖5所示。這種基于需求時喚醒的設計極大降低了節點能耗，只有在被需求的條件下，普通節點才被喚醒并自主連接匯聚節點，從而有效地約束了普通節點和匯聚節點之間的不合理連接，排除了影響普通節點與匯聚節點間通訊可靠性與安全性的因素。

當節點的監測模塊監測到所在環境因子的參數改變時，ZigBee模塊開始信息處理過程。在簡單地處理完信息后，普通節點的ZigBee模塊自主發起連接建立的請求并向匯聚節點傳送處理后的信息，詳細流程見圖6。無線傳感器網絡節點從節能角度出發，其絕大部分時間處于休眠狀態。一般情況下，普通節點和匯聚節點的ZigBee模塊進行低能耗掃描信道活動，節點只需每隔一個周期監聽所在子網的信道，判斷是否存在發送給自己或需要自己處理的數據信息。這種方式極大降低了節點的能量損耗值，既延長了節點的使用壽命，又保證了信道傳輸數據量的最大化。

5 實驗結果

將本文設計的西藏糧倉監測系統與原系統進行溫度與空氣相對濕度的監測對比試驗。通過2013年兩系統的實際監測數據對照可以證明新設計的監測系統的先進性。實際監測中，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絡節點。為了進行直觀的比較，在每個節點旁放置水銀溫度計和濕球溫度計，統計每個月份所有節點的數值并計算出每月的平均值。本監測系統采用精確度較高的數字溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器HIH3605。與之對比的傳統監測系統為水銀溫度計和濕球溫度計，水銀溫度計刻度為0.1℃，最小精確度為0.05℃;濕球溫度計刻度為0.1%RH，最小精確度為0.05%RH。表1，2是本系統和傳統監測系統的實驗結果比較。

圖5 初始化通信流程

圖6 信息處理流程

從表1，2所示的實際監測數據和比較結果可以看出:基于ZigBee無線傳感器網絡的西藏糧倉監控系統溫濕度測量誤差較小，實驗數據的誤差主要由節點在測量過程中客觀存在的誤差引起，信息處理與數據傳輸過程中造成誤差的可能性很小。

表1 兩種系統監測溫度數據比較℃

表2 兩種系統監測濕度數據比較(%RH)

6 結束語

相比當前的溫濕度采集系統，基于ZigBee無線傳感器網絡的西藏糧倉監控系統有著明顯的優點。本文從總體構架、硬件設計、軟件設計方面詳細描述了基于ZigBee無線傳感器網絡的西藏糧倉監控系統，并分析了兩種系統監測對比的實驗結果。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烈太陽輻射和長年干燥氣候等險惡條件，為糧食等食品的儲藏帶來嚴峻的挑戰。基于ZigBee無線傳感器網絡的西藏糧倉監控系統既節約了硬件的投入成本和人力資源，又極大提升了食品的監控水平，將在西藏食品監控和其他領域得到廣泛的應用。

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(責任編輯 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

國家自然科學基金資助項目(61331013);計算機及藏文信息技術國家級教學團隊資助項目

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

唐松，尼瑪扎西，格桑多吉，等.ZigBee無線傳感器網絡在西藏糧倉監測中的應用［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，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.