基于ZigBee通信技術的倉儲監測管理系統的設計與開發

陳震東

【摘? 要】 ZigBee是一種短距離、高效率、低功耗的無線通信技術，它采用IEEE802.15.4標準，與藍牙類似，但主要針對無線傳感器網絡，因此可用于物聯網、家庭自動化、工業控制、醫療監測等領域，文章設計開發一種基于ZigBee的倉儲監測系統，分析設計系統的整體框架，并對每個具體組成模塊進行分析和設計。該系統核心是利用ZigBee無線傳感網絡技術，實現了對倉庫溫濕度、火焰、煙霧等一系列環境參數的實時監測和數據采集。同時，該系統還具有遠程控制功能，可以通過上機位手機APP端軟件實時監測倉庫環境并且查看歷史數據。

【關鍵詞】 ZigBee；通信技術；倉儲監測管理系統

ZigBee技術是研究人員從蜜蜂在飛行中對障礙物方位和距離的準確判斷中得到啟發，從而研究出的一種新型的無線通訊技術。2001年ZigBee聯盟建立，隨后各大公司聯盟加入，共同合作研發出ZigBee無線傳感器網絡通訊標準，讓ZigBee得到了更為廣泛的運用。在我國，ZigBee網絡的應用范圍非常廣泛。

隨著物流行業的發展，對倉儲監測系統的需求也逐步加大。對倉庫環境而言，需要監測的范圍較大，同時還要求設備有一定的抗干擾性。ZigBee的有效覆蓋范圍最大是75米，遠超藍牙和WiFi。在相同的環境中，ZigBee抗干擾性也遠優于藍牙和WiFi，并且工作功耗遠小于WiFi和藍牙的工作功耗。該系統具有低功耗、高可靠性、易部署等優點，可以廣泛應用于倉儲物流、冷鏈物流等領域。實驗結果表明，該系統可以有效地監測和控制倉庫環境，提高倉儲物流的安全性和效率。

一、ZigBee組網流程

（一）組建完整的ZigBee網絡

1. 將協調器設置為啟動狀態，連接協調器到電源并預裝有ZigBee協議棧的無線芯片。在協調器上執行初始化操作并將其設置為啟動狀態，以便開始連接其他ZigBee設備。2. 配置協調器的自身信息，例如短地址PAN ID（個人局域網標識），通道及其他配置參數。這些參數將為網絡提供唯一的標識符和屬性。3. 連接非協調器設備，將非協調器設備添加到網絡中。在添加設備之前，需要對每個設備進行一些設置，包括設置設備類型，分配唯一地址，設置設備所在的PAN ID等信息。4. 建立設備之間的連接和網絡拓撲，創建設備之間的連接和構建數據流動路徑，可以根據需要設置不同的連接和路由方式，以滿足不同的應用場景需要。

（二）在ZigBee網絡中加入一個新節點

1. 新節點通過掃描周圍的ZigBee信道獲取ZigBee網絡中的協調器和其他設備的信息。一旦找到適當的協調器，新節點將發送一個加入請求并進行對話。

2. 協調器接收到新節點的加入請求后，將分配給該節點一個唯一的地址。每個設備都有一個短地址和一個長地址，其中短地址是全網唯一的。

3. 新節點隨后會接收到一個包含網絡屬性的信標幀，這些屬性包括ZigBee網絡的PAN ID、信道和其他屬性。新節點將使用這些屬性來適應網絡。

4. 新節點將啟動節點同步過程，并向協調器發送一些必要信息以確保網絡拓撲的穩定性。協調器將此信息轉發給其他設備，以便網絡中所有設備都可以了解到新設備的存在。

5. 新節點完成上述步驟后，就可以開始將數據發送到網絡中的其他設備。

需要注意的是，節點加入網絡的成功與否取決于網絡的設置和拓撲結構。如果網絡中的設備數量過多，則對新設備的加入可能會產生負面影響。在實際應用中，應該根據需求和場景進行合理的設備數量和位置布置，以確保網絡的良好運作。

二、系統硬件設計方案

（一）芯片選型分析

ZigBee芯片可以根據芯片的功耗、射頻性能、功能集成度等方面進行分類，該系統采用的是CC2530芯片，主要原因在于其協議棧是部分開源的，選用該芯片的成本更低。

（二）節點功能分析

倉儲監測指的是對倉庫中存儲的物品進行監測和管理，以確保物品的安全和完整。這種監測可以通過各種工具和技術來實現，如傳感器、視頻監控、條形碼或RFID技術等。倉儲監測可以幫助物流企業提高工作效率、降低運營成本，并提高客戶滿意度。為了存儲物品在倉庫中不被損壞，倉庫環境應該和存儲物品的最佳保存環境保持一致，常見的環境一般包括溫度、濕度等等。此外一些常見安全隱患，例如火災會對倉庫造成的巨大損失，需要對倉庫進行火災監測以及煙霧監測。除了安全隱患，還需要防范人為因素（防盜），因此需要識別人員通過紅外傳感功能，來監測進出倉庫的人員。基于以上種種原因選擇的傳感器如圖1所示。

（三）傳感器模塊選型

在倉儲監測系統中，傳感器模塊的主要作用是采集環境數據并且傳輸給終端節點，例如環境溫度、濕度、有害氣體等。

該系統傳感器模塊主要包括：對火焰的監測采用的是Risym火焰傳感器；對煙霧的監測采用的是MQ-2煙霧傳感器，MQ-2是一種可靠地檢測空氣中多種有害氣體的氣體傳感器；采用DHT11傳感器進行溫濕度監測，傳感器中內置一個NTC測溫元件和一個電阻式感濕元件，保證其可靠性和穩定性。對光照監測采用的是光敏電阻傳感器，一般用來檢測探頭周圍光線的強度，可以通過DO輸出數字信號1和0，或通過AO口輸出模擬信號；對防盜監測采用的是人體紅外傳感器HC-SR501，其作為一種常用的人體紅外感應模塊，可以探測人體的熱量，并輸出高/低電平，用于智能家居的人體檢測、安防等方面的應用；采用MQ-135空氣質量監測傳感器對空氣質量進行監測，傳感器的工作原理是利用化學吸附原理，在檢測過程中，傳感器將目標氣體吸附在傳感器表面的半導體氧化物層上，并在受光、加熱的作用下，改變氧化物的電學性質，從而實現對氣體的檢測和測量，主要用于測量空氣中甲醛、苯、二氧化碳、氨等有害氣體的濃度。

（四）蜂鳴器模塊選型

為了起到報警作用，該系統加入蜂鳴器模塊。蜂鳴器模塊采用的是有源蜂鳴器中的低電平觸發類型，有源蜂鳴器是一種集成了驅動電路的蜂鳴器，通常由振蕩器、驅動器和共振腔組成。

（五）繼電器模塊選型

繼電器是一種電氣控制裝置，它可以用小電流控制大電流。繼電器通過一個電磁線圈來控制開關，當電磁線圈激活時 ，它會引起開關的狀態改變，從而控制電路中的電流流動。繼電器可以放大電信號，通過電磁線圈激活開關來控制大電流的流動。當電流或電壓超出某些特定的限制時，繼電器可以斷開或切換電路以保護。

（六）WiFi模塊選型

終端節點采集到的數據傳輸給協調器之后，協調器需要通過WiFi模塊將實時數據傳輸給上機位。WiFi模塊采用的是ESP8266-01s。ESP8266具有Wi-Fi功能，可以通過串口通信和Wi-Fi實現機器與機器的互聯互通；體積小、低功耗和成本便宜。ESP8266模塊支持TCP/IP、UART、SPI、I2C等多種通信方式，支持輕松的連接WiFi網絡和訪問網絡資源。使用ESP8266模塊，可以將現有的智能設備升級成互聯的，同時，也可以實現遠程控制、數據監測等功能。

三、系統軟件設計方案

（一）系統整體框架

圖2為系統整體框架圖，終端節點一負責采集火焰，煙霧，溫濕度數據，終端節點二負責采集可燃氣體，人體感應，光照數據等。終端節點將采集到的數據通過ZigBee協議傳輸給協調器，協調器通過ESP8266的透傳模式來傳輸數據給上機位平臺。

（二）系統硬件開發軟件

IAR Embedded Workbench（以下簡稱為IAR）是一款完整的嵌入式開發環境，用于開發和調試嵌入式應用程序。該環境提供了編譯器、調試器、鏈接器、庫函數等工具，使開發人員可以在單個集成的環境中進行完整的開發工作。此外，IAR支持多種微處理器架構，如ARM、MSP430、RISC-V等。

（三）協調器節點模塊設計

協調器作為中心節點，需要進行系統初始化，然后通過發送廣播信號，邀請其他節點加入網絡。當新節點收到邀請信號后，會向協調器發送加入網絡的請求信息。協調器收到請求后，會分配網絡地址，并將新節點加入網絡。成功組建網絡后，協調器會管理整個網絡，包括節點加入、節點離開、網絡拓撲結構的維護等。協調器可以向節點發送指令，控制其執行特定的任務，節點也可以反過來向協調器發送數據。

（四）終端節點模塊設計

當ZigBee協調器組建好網絡后，對終端數節點進行上電，終端節點便開始進行系統初始化。初始化完成后會開始掃描信道，并且向協調器發送入網請求。成功加入網絡后，終端節點會將傳感器采集到的數據周期性地發送給協調器。

（五）上機位模塊設計

上機位模塊是用Android Studio設計的，Android Studio是由谷歌開發的一個被設計用于Android應用程序的集成開發環境（IDE）。它基于IntelliJ IDEA ，可以為Android平臺開發應用程序。

該IDE提供了豐富的功能，包括代碼審查、調試支持、版本控制以及其他自動化功能。Android Studio還包括一個可視化布局編輯器，可以更快、更容易地創建Android應用程序的UI。上機位模塊是整個系統交互的中心。上機位主要功能模塊由用戶管理、監測控制、歷史記錄構成。用戶必須然后在登錄界面填寫正確賬號密碼，才能進入管理界面。

四、結語

文章主要分析設計了基于ZigBee的倉儲監測系統的整體框架，接著詳細分成幾個具體模塊進行分析設計，以使倉儲監測管理系統達到適用性更強，應用更為廣泛和穩定的目的。