ZigBee無線通信技術在電力倉儲中的應用

張鋼　馮明卿　李曉潔

摘 要：根據電力倉儲管理中溫濕度實時監控的需要，采用ZigBee無線通信技術，以TI CC2530無線單片機及ZStack協議桟為核心，結合數字溫濕度傳感器，設計了一款多測點無線傳感器網絡測量系統。本文介紹系統的構成和工作原理、硬件選擇和軟件設計。測試結果表明，該系統監測效果良好，具有功耗低、體積小、操作方便、成本低等特點。

關鍵詞：ZigBee；無線通信；溫濕度；CC2530

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.176

1 引言

在電力倉庫管理和物資保存過程中，環境溫度和濕度是非常重要的控制參數，當溫度濕度變化超過一定范圍，會對儲備物資的質量造成很大的影響，使電力物資的物理和化學性質產生變化，機械性能變壞，物體強度降低，發生金屬銹蝕，生蟲霉變等等。傳統的倉儲部門是由倉管員不定時查看、記錄倉庫和車間的濕度值，費時間和人力，數據不是很客觀。我們和電力公司物流中心合作，在分析研究現有倉儲監測措施的基礎上，將基于ZigBee的無線傳感器網絡技術應用于電力倉儲環境監測領域，設計了基于CC2530芯片的傳感器節點硬件結構和軟件系統，構建了倉儲管理環境參數多點監測系統的智能組網方案，該系統可以對倉庫目標節點的溫度、濕度和煙霧等環境參數進行全面、快捷的無線采集和保存查詢。

2 系統原理與硬件構成

（1）ZigBee通信技術是一種短距離、低數據速率、低復雜度、低功耗的無線通信技術，基于 ZigBee 的無線傳輸設備由于體積小、功耗低、傳輸好、靈活位置等優點，在溫室環境參數監測方面具有廣闊的應用前景。ZigBee通信技術是物聯網應用的核心技術之一。

ZigBee網絡中存在三種節點，協調器（Coordinator）、終端節點（Enddevice）和路由器（router）。又分為全功能設備FFD與精簡功能設備RFD。

ZigBee網絡中全功能器件FFD具有完整的協議功能，在網絡中可以作三種節點中的任意一種。精簡的功能器件RFD主要目的是要實現非常簡單的協議功能，因此只能夠在網絡中作普通的節點。FFD可以和RFD或其他的FFD進行通信，可是RFD只能和FFD進行通信。ZigBee網絡要求至少有一個全功能設備作為網絡協調器。支持星型網、樹狀網和網狀網三種網絡拓撲結構。圖1 為常見的zigbee無線網絡結構圖。

在倉儲管理與監測方面，采用ZigBee無線通信技術在大型倉儲、農業大棚等需要多點多參數數據采集的環境中，能夠避免有線傳輸情況下布線費用昂貴，維修困難，難于擴展的不足，更便于移動節點的數據采集。

本項目根據某電力倉儲物資管理應用中的實際問題，采用ZigBee無線技術，采用星型網絡拓撲結構實現組網，應用 CC2530通信模塊及SHT11溫濕度傳感器，設計出一套倉儲環境多點溫濕度實時監測系統。監測系統由兩個部分構成： 監控顯示模塊和 ZigBee無線傳感器網絡。ZigBee 溫度監控系統測試主要功能是：協調器自動建立一個網絡，網絡中各傳感器節點發現該網絡后，加入該網絡，自動完成綁定，并工作于采集模式，開始向協調器發送溫濕度數據； 協調器節點通過串口將傳感器節點采集的溫度數據上傳至監控平臺顯示PC，顯示在監控屏幕上，保存到數據庫中，管理員可以訪問整個倉儲溫室環境各種信息。倉儲環境顯示信息能夠以數字及圖形曲線形式表示，管理員能夠直觀詳盡了解倉儲環境多個參數的實時和歷史狀態，或及時采取相應措施。

（2）協調器節點的硬件設計：協調器屬于全功能設備FFD。協調器節點的主要作用首先是啟動和配置網絡，即網絡組網的過程中第一個啟動的設備就是協調器，當協調器配置好以后其他設備才能加入； 協調器的工作任務在于控制各個終端傳感器節點的工作節奏，接收各終端節點的監測數據，將收集的溫濕度數據通過串口上傳到上位機監控平臺。協調器硬件采用新一代射頻模塊CC2530F256 芯片，其內含增強型低功耗 8051 微控制器內核和高性能無線射頻模塊，具有256KB可編程閃存，是優秀的片上系統解決方案，支持IEEE802.15.4 /ZigBee/ZigBee RF4CE標準和ZigBee2007/Pro 協議棧，帶自2個USART接口，模塊能便捷完成信號的收發功能。

（3）傳感器節點硬件設計：傳感器節點主要負責溫濕度數據的采集、發送以及控制指令的接收執行，是采集終端節點，該節點屬于半功能設備RFD。硬件部分與協調器節點類似，采用 2.4GHz 集成 CC2530 射頻模塊。所采用的溫濕度傳感器是Sensirion公司的新一代的數字式溫濕度露點傳感器SHT1 1，可實現免標定、免調試、數字式輸出及全互換功能。其溫度采集精度可達±0.5℃，濕度采集精度達±3.5%RH，其采用雙向兩線串行數據接口能與CC2530-Zigbee模塊進行通訊。終端節點同時配置其他傳感器，可實現煙霧報警、紅外線人像監測。

3 系統軟件設計

（1）系統開發環境：采用流行的 IAR Embedded Workbench For C8051開發平臺，軟件基礎設計采用TI 公司 CC2530芯片組支持的ZigBee2007/Pro協議軟件，以ZStack 中Sensordemo等例程為基礎，通過APP程序2次開發來建立所需要的項目。利用 CC Debugger完成程序的下載工作。

項目程序包含協調器節點和傳感器節點兩個子工程。協調器工作時，協調器協議棧運用初始化函數，進行網絡各層的任務初始化；當接受到傳感器節點加入網絡之后，協議棧會根據事件的 task_id 進入網關節點的任務事件處理函數。按照循環請求的方式向終端節點請求采集數據，處理數據， 延時等待，再次進入循環工作狀態。PC通過串口與協調器通信，上位機監控系統軟件向協調器發送數據請求指令，協調器的串口回傳函數uartRxCB就進行相應處理，調用sys_Ping_Request（）向PC機發送協調器的基本信息。

傳感器節點初始化后，掃描網絡信道，尋找到相應的父節點并加入網絡。通過初始化函數 SensorNode_Init （），調用 osal_start_timerEx （） ，該函數有三個參數，用來設置事件和定時，并向 ZStack 發送測溫事件 SEND_DATA_EVENT，故可在輪詢時發現這個事件標志，進入事件的處理函數 SensorNode_ProcessEvent （），進行參數的數據采集，數據就由此傳感器節點通過發送函數AF_SendDataRequest（） 傳到協調器節點。沒有事件時則節點進入休眠狀態。

（2） 上位機監控終端軟件設計：自主開發了zigbee無線傳感器網絡監控系統軟件ZEPC V1.0，系統主界面如圖3。上位機軟件采用主流的Java技術實現，將每個無線終端節點的溫度、濕度、及電池容量等采集數據匯總到人機監控界面中，形成用戶適用的數據表現形式，每個采集點的溫度、濕度、報警等信息都用數字或實時曲線圖的方式展示出來，方便監控管理員直觀地查看。采集到的實時數據存入到數據庫，可顯示參數列表、實時曲線圖、實時數據、累計數據、歷史、報警畫面、報表等多種顯示、統計功能，更加貼近用戶需求。

1）串口讀寫：監測系統的協調器在收集到終端節點傳來的采集數據后通過串口發送給上位機，上位機通過串口將控制命令發送給協調器，協調器再將命令發送給終端節點進行控制。串口數據的收發采用SUN公司提供的JcommAPI實現，JcommAPI提供了對常用的RS232串行端口通訊的支持。JCommAPI中CommPortIdentifier類是對串口進行訪問控制的核心類，主要用于對串口進行設置。

2）實時曲線圖的實現：通過Java多線程技術及JFreeChart技術，可以將采集到的溫濕度等數據以實時曲線圖的方式展示。時序圖的實現用ChartFactory類的createTimeSeriesChart（）方法實現。曲線上的數據則通過線程，在指定的時間間隔內將采集到的數據和當前時間添加到時序圖中，從而形成實時波動的圖像。

3）歷史數據查詢：采集到的數據存入數據庫后，就可以對歷史數據進行查詢處理。數據庫選用微軟的SQLServer，通過一張表來存儲節點地址、溫度、濕度等數據。利用JDBC來訪問數據，并使用SQL語言對數據庫進行增刪改查操作。

（3）系統現場測試：為了測試系統的性能，在電力公司經開區物資倉庫進行了實測。倉庫大廳約3000平米。在測試中，我們故意地對倉庫各處傳感器終端上進行了加溫、加濕、煙霧等干擾，從顯示終端上看這些干擾都能相應地在監測系統中看到變化。在倉庫空曠處終端節點數據可以穩定傳輸60-70多米。在倉庫物資遮攔處數據可以穩定傳輸30-50米。測試中發現節點天線的高度和位置是影響信號傳輸的重要因素，另外隨著儲物數量的變動，節點天線放置高度，設備流動和體積等等也是重要的影響因素。

4 結語

運用ZigBee 協議及通信模塊設計并實現了一種新型無線傳感器網絡監測系統， 完成了電力倉儲溫室內溫濕度等環境參數的實時監測， 系統運行穩定，達到了預期的目標。由于傳統的布線監控方式越來越顯現出它的局限性，ZigBee無線傳感器網絡為需要搭建多參數傳感器網絡的倉儲環境監測系統提供了更多精準有效的方案。

參考文獻：

[1]王小強等.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].北京：化學工業出版社，2012.

[2]李文中.ZigBee2007/PRO協議棧實驗與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.

作者簡介：張鋼（1960-），男，研究生，教授，研究方向：測控技術與電子設計自動化。