基于ZigBee無線傳感器網絡的倉儲監控系統的設計

李修華,秦 昕,何成就,胡朋朋

（廣西大學電氣工程學院,南寧 530004）

1 引言

無線傳感器網絡作為一種新興的、跨學科的技術，已經引起了國內外多領域的廣泛關注，并與通信技術和計算機技術構成信息技術的三大支柱。無線傳感器網絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術以及無線通信技術等多個領域的關鍵技術，能夠實現實時監測、采集網絡分布區域內的各種客觀環境或監測對象的數據信息，并對這些信息進行處理，選擇性的將有用信息傳輸給用戶[1-3]。近幾年提出的物聯網（Internet of Things, IOT ）概念把無線傳感器網絡技術擴展到更大應用空間，被稱為是繼計算機技術、互聯網和移動通信網之后的又一次信息產業浪潮，并與互聯網一起構成智慧地球[4,5]。

基于IEEE.802.15.4標準的ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據傳輸速率、低成本的無線通信技術，是目前傳感器網絡的首選技術之一，目前已被廣泛應用于環境監測的各個領域。比如森林火災監測；氣象和地球物理研究；洪水檢測；化學/生物監測；土壤礦物質檢測；大氣環境分析等。本研究將ZigBee網絡技術應用到倉庫、儲藏室等地方，以實現遠程監控倉儲環境，及時發現異常情況，免去或降低人工看守成本的目的。

2 方案設計

2.1 系統總體結構

系統主要由傳感器及無線網絡控制器組成，傳感器包括空氣溫度、濕度、光強及人體紅外傳感器。控制器選擇了內嵌了ZigBee協議的英國JENNIC公司的JN5148模塊。其系統總體框圖如下：

圖1 系統總體框圖

2.2 主控節點的設計

主控節點即控制器節點的首要任務是數據的匯聚和存儲，同時提供LCD顯示功能。首先，它先通過無線通信模塊把各節點的信息收集起來，然后通過處理器模塊進行進一步的處理，之后再進行相應的顯示和存儲。數據的收集、顯示、存儲均需要電源模塊的支持。其硬件結構框圖如圖2所示，主要由顯示模塊、存儲模塊、處理器模塊、無線通信模塊及電源模塊組成。

圖2 主控節點的硬件結構圖

2.3 終端及路由節點的設計

傳感器節點包括終端節點及路由節點，二者都可以實現數據的采集，區別在于終端節點處于整個網絡的末端，只負責發送數據，可進入休眠模式；而路由節點則具有“橋梁”的作用，可以對終端節點發出的數據進行中繼轉發，不能進入休眠模式。ZigBee協議點對點的通信距離為百米，通過路由節點的中繼轉發后，無線傳感器網絡的傳輸距離大大增加，將顯著擴大了整個系統的監控范圍。

傳感器節點的首要的任務是數據采集；其次，還要對采集到的數據進行預處理；最后，通過無線通信的方式把預處理后的數據發送到主控節點。節點的設計關鍵在于與傳感器的連接。本設計中，各傳感器節點均包含了人體紅外感應模塊、溫濕度傳感器及光強傳感器。DYP-ME003 人體感應模塊，只感應人或動物體發出的紅外線，可以廣泛地用于防盜報警。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換為電壓信號；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區和盲區特征被用來檢測移動的紅外熱源。當測量范圍內出現移動的人或動物時，傳感器將報警。

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

光強傳感器采用的是GY-30數字光模塊。該芯片供電電壓為3-5 V，光照度測量范圍為0-65535 lx，傳感器內置16位A/D轉換器可實現數字輸出，使用方便。

3 軟件設計

軟件設計是在ECLIPSE集成開發環境中完成的，采用了基于ZigBee協議的網狀拓撲結構。主控節點及終端節點的程序流程圖如圖3所示。主控節點負責建立并維護整個網絡，接收來自本局域網絡中終端及路由節點的加入。網絡建成后進入空閑狀態，等待中斷事件發生。當收到來自網絡節點的中斷請求時，主控節點將判斷中斷消息的種類，并進行相應的處理。節點傳來的傳感器數據將在控制器中處理并顯示、存儲。終端節點加入網絡成功后進入休眠模式，并通過定時器對其進行喚醒，對各傳感器數據進行采集后發送到主控節點，發送不成功的數據可重發一次。

圖3 程序流程圖

4 結語

本研究針對倉儲環境需要無人化監管的現實需求，設計了一套基于JN5148 ZigBee模塊的無線傳感器網絡監測系統。系統在各傳感器節點上集成了人體紅外感應模塊、溫濕度傳感器及光強傳感器，通過分布式排列，可以實現對大型、甚至超大型倉庫的環境監控，實現防盜、儲存環境異常報警等功能。系統使用內嵌的ZigBee協議及成熟的傳感器模塊，工作穩定可靠，成本低，易于推廣。

[1]孫亭,楊永田,李立宏.無線傳感器網絡技術發展現狀[J].電子技術應用,2006(06):01-05,11.

[2]李鳳保,李凌.無線傳感器網絡技術綜述[J].儀器儀表學報,2005,26(08):559-561.

[3]李道亮.物聯網與智慧農業[J].農業工程,2012,02(01):1-7.

[4]鄔賀銓.物聯網的應用與挑戰綜述[J].重慶郵電大學學報（自然科學版）,2010,22(05):526-531.

[5]劉化君.物聯網關鍵技術研究[J].計算機時代,2010(07):04-06.