ZigBee無線多區域監測系統設計

韋 佳 何 磊 顧曉峰 朱兆旻

(輕工過程先進控制教育部重點實驗室1，江蘇 無錫 214122;江南大學物聯網工程學院2，江蘇 無錫 214122;中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所3，江蘇 蘇州 215123)

0 引言

隨著我國經濟的高速發展，與生產、生活密切相關的倉儲物流業得到了長足的進步?，F代化的倉儲物流管理正面臨著越來越高的信息化和智能化要求。貨物出入庫、庫存管理和貨物狀態監測等過程會帶來大量信息，這些信息通常與管理質量和效率緊密相關。應用于物品倉儲流通過程的傳統監測系統大多采用有線方式傳輸數據[1]，其布線和維護成本高，不適合大規模布網，且組網靈活性受到很大限制。為了高效合理地獲取相關信息并進行處理，可借助于無線傳感器網絡[2]。

ZigBee技術是一種新興的無線網絡技術，工作在2.4 GHz(全球通用)頻段上，傳輸速率為250 kbit/s。在ZigBee協議棧中，數據鏈路層和物理層采用IEEE 802.15.4協議，上層協議則由ZigBee聯盟定義并進行標準化[3]。相比高成本、高能耗的 Bluetooth和WiFi，ZigBee技術具有組網靈活、功耗小和成本低等優點[4]，它能更好地滿足倉儲物流業的應用需求。

1 系統結構

ZigBee網絡支持IEEE 802.15.4標準，并定義了全功能設備(full function device，FFD)和精簡功能設備(reduced function device，RFD)這兩種類型的物理設備。FFD節點具有路由功能，即可以和其他任何設備進行通信，并將RFD節點發來的數據傳遞到其他設備;RFD節點只能和FFD節點進行通信，經過FFD節點可以將信息傳送出去。由于RFD節點功能簡單，所以運行成本和能耗極低，適合大量部署和長時間使用，可以作為傳感器網絡終端進行數據采集。因此，系統采用了RFD節點作為傳感器終端，FFD節點作為網絡路由和網關。這樣既增強了無線網絡的靈活性，又可顯著降低布網成本。

系統主要由子網關、基站、終端和服務器組成[5]，其結構如圖1所示。終端是一個攜帶溫濕度傳感器的RFD節點，能夠即時接入最近的基站，并定期上報溫濕度信息。基站具有子網內唯一的網絡地址，并且可以作為父節點為新加入的終端分配網絡地址，并收回已加入其他基站的終端網絡地址，還可用作轉發終端的無線信號和定位終端的參考節點。子網關作為一個監測區域的協調器節點，具有組建和配置無線網絡的功能，它同時通過TCP/IP接口與以太網中的服務器建立連接。服務器與每個子網關建立連接，存儲并處理接收到的信息，并向指定的子網關發送配置指令，同時可供遠程計算機訪問。每個監測區域都有一個子網關，子網關對應有一個相互區別的網絡ID號(PAN ID)。

圖1 監測系統結構圖Fig.1 Architecture of monitoring system

2 系統硬件設計

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]，其結構框圖如圖2所示。

圖2 終端硬件結構框圖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據鏈路層標準，它整合了1個先進的高性能RF收發器、1個工業標準的增強型8051MCU、128 kB Flash存儲器和8 kB RAM等，能以極低的成本構建ZigBee節點。SHT10傳感器是瑞士Sensirion公司生產的一款數字溫濕度集成傳感器，具有能耗低、響應速度快、抗干擾能力強等優點。它由1個電容式聚合體測濕元件和1個能隙式測溫元件組成，能與1個14位的A/D轉換器和串行接口電路無縫接合。根據實際應用需求，終端與被檢測物體綁定，并采用電池供電[7]。

與終端硬件結構相比，基站少接1個SHT10傳感器。基站在協議的網絡層中定義為FFD節點，采用固定外接電源。子網關為實現ZigBee網絡與TCP/IP網絡的融合，在基站硬件結構的基礎上通過串行接口添加了1個NEPORT-L串口轉以太網模塊。該模塊實現了RS-232接口與以太網接口的互通[8]，從而實現各個子網與服務器之間的通信。

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計采用Chipcon公司提供的ZigBee 2006協議棧[9]。終端通過向基站發送無線信號上報采集到的溫濕度信息[10]，信息包含了終端設備的64位MAC地址(出廠后始終不變)、終端父節點基站地址以及所在區域PAN ID和傳感器采集到的溫濕度值(溫度取值精確到±1 K)。本系統中所有類型的數據幀以0x02開頭，后2個字節Cluster ID標記數據幀的消息類型，規定終端上報的數據幀Cluster ID為0x0024。

當終端遠離父節點基站而接近另一個基站時，終端會加入更近的基站，并重新獲得網絡地址。終端的基本軟件結構如圖3所示。

圖3 終端軟件結構示意圖Fig.3 Software structure of the terminal

子網關將所在區域內各個基站信息匯總，通過TCP/IP連接發送到網絡的服務器上。服務器接收到信息并存儲，以待進一步處理。當一個終端持續一段時間沒有上報信息，基站即判定終端已離開網絡，隨后將收回所分配的網絡地址。

4 測試結果

對系統進行測試時，布置了3個相互隔絕的房間作為監測區域，在每個區域布置1個子網關和3個基站。子網關接入以太網，并在此環境下測試終端上報數據的可靠性。在不影響測試結果的前提下，測試系統使用微型計算機作為網絡服務器，并選用1個終端進行測試。為防止PAN ID出現重復，將所有子網關放在同一區域內進行初始化并建立各自的ZigBee無線網絡。布置完畢后，使終端依次進入這3個房間區域并上報監測數據，上報周期為1 min，服務器端通過TCP調試接收到的終端上報數據，并顯示在PC機上。

分析測試數據可知，終端MAC地址為0x35008CC90E8C47C9，先后進入的房間為1號房間(0x1F19)、2號房間(0x287C)、3 號房間(0x287B)。終端首先到達1號房間的0x0001和0x287B基站附近;然后進入2號房間，先后到達了0x0001、0x287B、0x143E基站附近;最后進入3號房間，先后到達了0x0001和0x143E基站附近。在這3個房間所測得的溫濕度為 0x1A(26℃)、0x44～0x45(68% ～69%RH)。更多測試表明，該系統的測試值與現場實際測量的數據吻合。

5 結束語

本文將傳統的TCP/IP通信協議與新興的ZigBee協議相融合[11]，提出了一種ZigBee多區域無線監測系統。系統兼具這兩種通信協議的優點，即長距離且可靠的數據傳輸和低成本的靈活組網。對系統的軟硬件進行了設計，并對實現的系統進行了多次測試，測試結果與實際情況符合，能滿足即時數據采集和遠距離數據傳輸的要求，有助于提高現代倉儲物流管理的效率和自動化程度。

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[3]ZigBee Alliance Incorporation.ZigBee Specification：Document 053474r17[EB/OL].[2006 － 12 － 01].http：//www.armsky.net/UpFiles/DownLoad/DownUrl/200804/ZigBee-2006 協議規范.rar.

[4]楊惠.無線傳感器網絡技術的研究與應用[J].自動化與儀器儀表，2010(3)：89 －91.

[5]張大蹤，楊濤，魏東海.一種低功耗無線傳感器網絡節點的設計[J].儀表技術與傳感器，2006(10)：19 －23.

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