基于ZigBee的仓库温湿度采集系统的设计_王钦

计算机与数字工程

Computer&Digital Enginee ring

V o l.37No.9

207

基于ZigBee的仓库温湿度采集系统的设计＊

王　钦　陈忠辉　陈　新

(福州大学物理与信息工程学院　福州　350002)

摘　要　针对现有仓库温湿度检测存在的问题,结合无线传感器网络技术,提出一种基于Z ig Bee技术的仓库温湿度采集系统设计方法。设计采用CC2430射频芯片及SH T11数字温湿度传感器,在ZigBee协议栈的基础上进行应用开发。阐述了系统的总体设计,节点的硬件设计和软件设计。通过实验测试表明,该无线化的仓库温湿度采集系统能够稳定可靠的运行,并且具有组网简单、系统花费少、扩张网络容易等优点。

关键词　温湿度　Zig Bee　CC2430　S HT11　无线通信

中图分类号　T P274+.2

Design of Warehouse Temperature and Humidity

Acquisition System Based on ZigBee

Wang Qin　Chen Zhonghui　Chen Xin

(College of Physics&I nform ation Enginee ring,F uzhou University,Fuzhou　350002)

　　A bstract　Accor ding to the pr oble ms e xisting in the temper atur e and hum idity detec ting of war ehouse,combining with wireless sensor ne twork technology,this paper puts f or ward a new design of temper ature and humidity ac quisition system based on Z igBe e technology.The design was car ried out based on the ZigBee protocol,a dopting C C2430RF chip and digital humidity and te mper atur e SHT11.P aper in tr oduces the overall design of the system,har dwar e and sof twar e de-sign of node.The exper imental tests have proved that the wir eless temper ature a nd hum idity acquisition system was st able and cr edible,with the advantages of simple ne tworking,low cost and good e xtensibility.

Key words　tem pe ra tur e and humidity,ZigBee,CC2430,SHT11,wir eless communication

Class Nu mber　TP274+.2

1　引言

防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容,是衡量仓库管理质量的重要指标。它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。为保证日常工作的顺利进行,首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。但传统的方法采用测试器材,通过人工进行检测,这种人工测试方法费时费力、效率低,且测试的温度及湿度误差大,随机性大。因此,仓库的测控无线化、智能化和信息化管理已成为仓库储备技术的发展趋势。本文设计采用无线传感器网络技术进行周围环境的检测和控制。无线传感器网络不需要较高的传输带宽,需要较低的传输时延和较低的功率消耗。ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术,它的出现正好满足了这个要求。

2　ZigBee技术

ZigBee是针对小型设备的无线联网而制定的协议规范,拥有一套完整的协议层次结构,由IEEE802.15.4和ZigBee联盟共同制定完成。其工作频段分别是868M H z、915M H z、2.4G H z3个频段,可以应用于不同的场合,诸如家庭自动化网

＊收稿日期:2009年5月5日,修回日期:2009年6月16日

作者简介:王钦,女,硕士研究生,研究方向:模拟和数字信号处理及应用。陈忠辉,男,硕士生导师,副教授,研究方向:通信与信息系统。陈新,男,硕士生导师,教授,研究方向:生物医学,图像处理与网络通信。

208　王　钦等:基于ZigBee 的仓库温湿度采集系统的设计第37卷

络、工业控制网络、交互式玩具、远程检测等。完整的ZigBee 协议栈包括物理层(PH Y )、媒体访问控制层(M AC )、网络层(NW K )和应用层(APL ),如图1所示。ZigBee 的应用层由应用支持子层(APS )、ZigBee 设备对象(ZDO )和制造商定义的应用对象组成[1]。在ZigBee 协议栈中,每一层通过使用下层提供的服务完成自己的功能,同时对上层提供服务,网络中的通信在对等的层次上进行

[2]

。

图1　Z ig Bee 协议栈结构

ZigBee 网络含三种类型的节点,即协调器、路由器和终端设备,其中协调器和路由器均为全功能设备(FFD ),而终端设备选用精简功能设备(RFD )。一个ZigBee 网络有且仅有一个协调器,该设备负责启动网络,配置网络成员地址,维护网络,维护节点的绑定关系表等,需要最多的存储空间和计算能力,它可以看作是一个PA N 的网关节点。路由器主要实现扩展网络及路由消息的功能,终端设备则负责与实际的监控对象相连,实现具体功能的单元。

无线传感器网络中可以根据不同的需要组成星型、簇型网和网状型三种不同的网络拓扑结构[3]。星状网络由一个PAN 协调器和多个终端设备组成。只存在PAN 协调器与终端设备的通信,终端设备间的通信都需通过PAN 协调器的转发;树状网络由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成,设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通讯外,其他只能通过树状路由完成消息传输;网状网络是树状网络基础上实现的,与树状网络不同的是,它允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连,由路由器中的路由表配合实现消息的网状路由。一个ZigBee 网络最多可含有65000多个子节点,通过无线网络数据从一个节点传送到另一个节点,最终传送到控制中心。另外,它可以与其他的无线网络如G PRS 和CDMA 等兼容,也可以接入有线网络如Interne t 、Ethernet ,实现远程监控。

3　系统设计

本系统是由无线传感器节点、若干个具有路由

功能的无线节点和网络协调器组成的网状无线网络。采用Zig Bee 协议实现设备之间的无线通信,网络拓扑结构图如图2所示,传感器节点负责现场温湿度数据的采集,将采集到数据发送给路由器节点,路由器节点根据路由算法选择最佳通信路径,通过其他的FFD 节点以多跳的方式把数据传送给协调器,协调器通过串口RS232和PC 机相连,用来收集整个网络中的数据,并能向传感器节点发送命令和参数设置,实现与终端设备节点的通信。监控人员无须到达仓库现场,在监控室通过电脑就可以对仓库的温湿度进行检测。

图2　传感器网络拓扑

3.1　硬件设计

无线传感器节点由数据采集、数据处理、无线通信和能量供应四个模块组成,节点结构如图3所示。数据采集模块由数字传感器或者或模拟传感器加A /D 转换器组成,负责区域内的温湿度信息采集和数据转换;数据处理模块由微控制器组成,负责控制整个传感器节点的操作和数据存储;无线通信模块由无线收发器组成,负责与其他传感器节点进行通信,能量供应模块为系统其他的三个部分提供能量。传感器节点由温湿度传感器SH T11检测得到温湿度信息,并转化为数字信号,传输至CC2430,由CC2430负责对信号进行处理发送。节点电源部分使用两节AA 电池,通过一个电压转换芯片M CP1259将电压转化成3.3V 。为了使系统工作时间持续长,节点通常在闲置时快速进入休眠模式,其外设模块进入休眠状态,或者电源管理部分不对这些外设模块供电。协调器节点负责数据的收发和处理,主要由CC2430和一些外围器件构成,采用USB 供电或者是交流电供电。

图3　传感器节点结构图

S H T11是瑞士Sensirio n公司推出的基于CM OSensTM技术的新型温湿度传感器[4]。S H T11将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片上,该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号,该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大器;然后进入一个14位的A/D转换器;最后经过二线串行数字接口输出数字信号。SH T11通过DA TA数据总线输出的是相对湿度,需要进行线性补偿和温度补偿后才能得到较为准确的湿度值。传感器共有5条用户指令,具体命令格式如表1所示。

表1　SH T11控制命令代码

命令代码含义

00011测量温度

00101测量湿度

00111读内部状态寄存器

00110写内部状态寄存器

11110复位命令,使内部状态寄存器恢复默认值,下一次命令前至少等待11ms

　　CC2430芯片为Chipcon公司生产的2.4GHz射频系统单芯片[5],是一款真正符合IEEE802.15.4标准的片上ZigBee产品。它延用了以往CC2420芯片的架构,在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器,使用1个8位MCU(8051),具有128kb 可编程闪存和8kb的RAM,还包含模拟数字转换器(ADC)、四个定时器(Timer),AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog Timer)、32kH z晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brow n Out Detection)以及21个可编程I/O引脚[6]。该芯片工作时的电流损耗为27mA;在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27mA或者25mA,其休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。CC2430芯片只需要少量外围部件配合就能实现信号的收发功能,终端节点上的CC2430通过I2C接口定时读出SHT11的温湿度数据,并将温湿度通过无线网络传送给协调器。

3.2　软件设计

本系统软件设计基于Ti公司推出的跟CC2430芯片配套的Z-STACK协议栈和IA R集成开发环境。Z-S TACK协议栈运行在一个基于任务调度机制的OSA L操作系统上,OSAL通过触发任务的事件来实现任务调度[7]。OSA L中的任务可以通过任务API将其添加到系统中,实现多任务机制。系统中传感器节点由CC2430内部的MC U控制,定时向温湿度传感器S H T11发送读温度和湿度指令,SH T11完成温度和湿度转换后会发出转换完成信号,M CU在接收到转换完成信号后,读取温湿度值,并将这些数据信号传送给协调器。协调器通过串口RS232和上位机(PC)相连,通过人机交互的方式对整个区域的进行检测。为了实现这一功能,必须知道节点的长短地址对应表,这就需要节点在加入网络后发送自己的长短地址给协调器,协调器将长短地址对应列表存储起来,以便用户要求采集数据时依据地址表来采集每个传感器的数据。

3.2.1　协调器节点设计

网络协调器主要负责网络的建立,信息的接收、汇总、处理及控制指令的发送。ZigBee网络最初由协调器发动并建立。协调器通过主动扫描选择一个合适信道,根据扫描的结果选择自己的PANID及0x0000作为自己的短地址[8],其网络层将通过向M AC层发送M LM E-S TART.request 原语启动一个新的PAN。协调器节点在建成网络后,开始数据收发工作及各种操作指令的执行。当协调器收到数据时,根据数据的串ID来判断传送的数据是地址信息还是传感器采集的数据,根据不同的数据类型解析数据包提供给PC机显示和处理。程序流程如图4左所示。

3.2.2　传感器节点的设计

传感器节点主要负责温湿度数据的采集、发送以及控制指令的接收执行。节点开启初始化后,主动扫描有效网络信道,寻找合适的父节点,通过关联过程加入网络[9]。如果已经加入到网络中而暂时与网络失去联系的节点想重新加入网络,可以进行孤立通知过程重新加入网络。设备在加入网络后,首先完成其内部系统的初始化,即通信协议的初始化,各端口使能与初始化,发送本节点长短地址给协调器,然后定时查询有无事件发生,事件轮询分媒体接入层、网络层、硬件、应用层等,如果没有事件,则节点进入休眠状态。如果有相应事件,则进行处理。节点在休眠期间,如果有外部中断或定时器中断,节点会恢复到工作状态,开始执行任务。其程序流程如图4右所示。

3.2.3　节点通信

传感器节点测量的温湿度数据在ZigBee RFD 模块中转化为Zig Bee通信协议包,传送给其父节

210　王　钦等:基于ZigBee 的仓库温湿度采集系统的设计第37卷

点,以多跳的方式把数据包传给ZigBee 协调器。协调器接收到数据包后,解析出出数据源的短地址,温度和湿度值并将其传送给PC 显示出来,同时按原路径返回确认信息,实现握手信号。在Z -S tack 中,每个应用任务都通过调用应用层的Pro -cessEvent ()函数来处理任务事件,在Pro cessEv -

ent ()中有一个事件处理循环,循环检测事件的发生。发送端节点需要发送数据时,直接调用应用层的AF Data Request ()函数来发送数据。而接收端的应用层通过检测A F INCOM ING MSG CM D 消息事件来判断是否有数据收到。具体的数据通信流程如图5所示

。

图4　

节点工作流程

图5　发送数据流程和接收数据流程

4　实验研究与分析

实验采用设计的节点组成测试网络,在实验楼的不同的房间放置传感器节点,把需要给其他节点路由转发数据包的节点配置为路由器节点,协调器

通过串口与PC 机相连,将接收到数据在串口中显示出来,同时使用Ti 的网络抓包软件Packet sniffer 观测数据发送和接收。协调器节点组网成功后,路由

器R ,传感器节点E 加入网络并将自己的长短地址发送给协调器。随后传感器节点进入睡眠模式,定时唤醒检测有无发送数据的命令。串口中显示长地址为0xFF01222324252627,短地址为0x0001,长地址为0xC5130100004B1202,短地址0x796F 等节点加入到网络中。协调器可以通过广播方式给所有的路由器节点和传感器节点发送命令或者根据获取的长短地址对应列表,单播的方式给指定的节点发送命令。如果将其中的一个路由节点关闭,网络可以重新寻找路径,选择其他的路由节点进行数据中继。试验结果有效的验证了ZigBee 无线网络能够实时的实现数据的采集,且具有良好的自组织、自愈特性,

适合于仓库内的温湿度采集系统。

5　结语

本文基于ZigB ee 无线网络通信技术和CC2430芯片设计仓库温湿度采集系统,以低成本、低功耗等为目标设计终端节点,具有组网简单、系统花费少、

扩张网络容易等优点,整体网络可以长时间连续稳定工作,非常适合于仓库温湿度检测系统等工业控制等领域的应用,可以减少传统方式下系统现场布线带来的各种问题,在实际中有很好的应用价值。

参考文献

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(上接第109页)

　　1)全局数据模式的改变

(1)增加属性。该情况下只需要增加关于该属性的全局最小视图,同时建立起该属性和本地属性之间的简单对应关系便可,无需修改现有映射关系。

(2)删除属性。只需要把和该属性相关的小视图和属性对应删除。

(3)其它。包括增加、删除和修改关系模式。如果这些变化没有对函数依赖造成影响,那么无需修改。对受到影响的部分需要重构全局最小视图。

2)本地模式的改变

(1)增加属性。本地数据管理员通过产生最小视图,提交属性并建立对应关系,便可以建立起映射关系,如果全局模式中无对应属性,则会被自动忽略。不会对现有部分造成影响。

(2)删除属性。集成系统只需要删除相应的属性对应关系和最小视图便可。

(3)其它。包括增加、删除和修改关系模式。如果这些变化没有对函数依赖造成影响,那么无需修改。对受到影响的部分需要重构全局最小视图。

3)增加/删除本地数据源

增加本地数据源,需要首先创建本地最小视图,并且提交属性到集成系统进行匹配、建立属性间的对应关系。删除本地数据源则相反,需要在属性对应关系中把该数据源的属性清除。这两个操作都不会对其它数据源、全局数据模式和映射关系造成影响。

6　结语

　　本文提出了一种基于轻映射的数据集成系统,该系统通过对函数依赖的利用,大大减少了映射的构造难度。从而克服了GAV和LAV两种映射方法的一些不足之处,是数据集成系统更能够适应全局/本地模式频繁变化的情况。

参考文献

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