ZigBee无线传感器网络的监控系统

引言
无线传感器网络是指在监测区域内布置大量传感器节点，由传感器节点完成数据采集，并以无线方式发送到汇聚(Sink)节点的网络。

其目的是实时地检测和采集节点部署内的各种信息(如温度、湿度、噪声等)。

ZigBee是一种新型的无线传输标准，具有抗干扰、高保密性和自动动态组网等特点，非常适合小范围无线传感器网络。

本文提出一种基于ZigBee无线传感器网络的监控系统，解决了传统监控系统布局复杂、线缆过多、易老化断裂等诸多问题，给现代仓库管理带来了方便，促进了生产力的发展。

系统总体设计
基于ZigBee无线传感器网络的监控系统如图1所示。

图1 监控系统框图
该监控系统主要由安装了监控软件的上位机、汇聚节点和两个房间中的多个传感器节点组成。

各节点通过无线信道连接，汇聚节点与上位机监控程序通过RS-232异步串口总线连接。

传感器节点中包括温湿度、红外以及烟雾传感功能，能够实现对温湿度的周期查询，对烟雾和人体红外通过中断的形式实时响应。

上位机的监控程序以内嵌地图形式的表格显示出各个节点的信息，可以得知房间中各个地方的温湿度与烟雾红外状况。

根据仓库实际需要设置温湿度的阈值，超过该阈值节点以红色显示，来提醒管理员异常情况。

除了温湿度显示，上位机监控程序中有红外和烟雾两个按钮，若检测到红外和烟雾信息，则不停
闪烁并发出警报声。

图2 节点硬件平台
节点的硬件平台
节点的硬件平台采用Chipcon公司(已被TI公司收购)的CC2430芯片，外围附加温湿度传感器、红外烟雾传感器、电源以及调试接口，如图2所示。

CC2430是符合ZigBee标准的2.4G片上系统芯片(SoC)，片内集成了工业级标准的8位8051微控制器内核、高性能的CC2420射频收发器、128KB在系统可编程Flash存储器和8KB的RAM等。

高集成度的特性降低了单片机数字电路对高频模拟信号的干扰，提高了系统的可靠性。

温湿度传感器采用SHT10温湿度传感器，该传感器芯片由温度和湿度探头、校准存储器、14位模数转换器及双向I/O串行输出接口组成。

输出的串行数据可达14位。

红外传感器采用GH-718人体红外传感器，静态电流50μA，具有极低的功耗。

系统的软件设计
系统的软件设计部分主要包括网络构架、节点的协议栈和上位机监控软件。

系统的网络构架
网络拓扑结构有星形网络、树形网络和网状网络三类。

星型网络中所有节点都只能与协调器(汇聚节点)通信，且必须在协调器的射频范围之内，协调器理论上最多能连接65535个节点。

树形网络由星型网络通过路由器扩展而成，其弹性覆盖范围大，路由方式简单，能容纳更多的节点。

网状网络具有自修复功能，一般情况下能自动选择最优路径提高链路质量。

本监控系统节点数量有限，节点位置较为固定，采用树形网络拓扑。

终端节点负责采集数据，路由节点除了采集数据之外还负责转发。

树形拓扑中的各节点只负责将数据传给其上级的父节点，直到传至汇聚节点。

协议栈介绍
节点软件部分以TI公司基于ZigBee 2006协议栈的Z-Stack为基础，通过添加传感器采集函数和应用层函数完成。

Z-Stack协议栈是以简单的任务轮询形式运行的，各任务模块由各自的时间标志位触发。

应用层循环中两个传感器驱动函数完成温度和湿度数据的读取，红外和烟雾事件则以查询中断标志位的方式决定是否发送红外烟雾信息。

按照节点的类型不同，其工作流程如图3所示。

图3 三类节点工作流程
上位机监控软件
上位机的监控软件用C++面向对象语言编写，内含串口驱动程序，通过串口和汇聚节点连接，负责接收并显示所采集的数据，其界面如图4所示。

图4 上位机监控终端
网络显示部分内嵌仓库地图，各节点根据实际位置在图中对应摆放，能显示出树形的拓扑结构。

当某节点检测到烟雾时，网络显示图中该节点变为红色。

若某节点检测到红外信号，该节点在网络显示图中变为橙色。

由于节点在内嵌地图中与实际位置相对应，因而能根据图中节点判断出仓库中出现红外或烟雾事件的具体地点。

温度和湿度则通过右侧的坐标图显示。

图中能够显示仓库温度和湿度的平均值随时间变化的曲线，纵轴为温度和湿度的平均值，横轴为时间，时间轴的范围为24小时。

每隔一个周期(十分钟)，根据接收数据显示出一个温湿度曲线。

低功耗设计
在整个网络设计中，降低功耗是一个重要因素。

虽然仓库中容易到达任何位置，但功耗大引起的频繁更换电池会降低节点的寿命和系统的稳定性。

文中各节点设计时出于降低功耗的考虑，在Z-Stack协议栈中引入了CC2430芯片的休眠机制。

终端节点每隔十分钟唤醒一次并发送数据，然后进入休眠模式二(PM2)以节约能量。

路由节点和汇聚节点担负着转发子节点数据的任务，没有引入休眠机制。

测试结果
各节点烧写程序后安放在房间各个角落，能够顺利组网并发送数据至上位机。

直线无障碍传输距离达到30~40米，有障碍(一堵墙)时能达到10米，两种情况下都没有丢包发生。

最大通信速率为每秒钟30个字节。

终端节点采用周期休眠形式，整个周期的实际电流小于7mA，持续工作时间能够达到一周，然后由外接充电电源给锂电池充电。

结语
本文提出了基于ZigBee无线传感器网络的仓库监控系统的设计方案。

系统采用ZigBee分簇式树形拓扑实现了对仓库内各个角落的温湿度信息以及红外烟雾等突发事件的监控。

该设计具有低功耗、低复杂度、低成本等诸多优点。