ZigBee技術(shù)的樹簇網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

摘要 介紹一種基于ZigBee協(xié)議棧Z－Stack的倉庫無線實時監(jiān)控系統(tǒng)解決方案；應(yīng)用首款支持ZigBee協(xié)議的單芯片 CC2430及多種傳感器實現(xiàn)了硬件平臺。分析Z－stack NWK層工作原理，完成了多跳路由樹簇網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)實驗，并實際應(yīng)用于某煙草倉庫。結(jié)果表明：所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)具有較好的通用性、網(wǎng)絡(luò)魯棒性，很容易在工業(yè)控制監(jiān)控、樓宇自動化領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 ZigBee Z-Stack 樹簇拓撲 CC2430 監(jiān)控系統(tǒng)

引 言
倉庫監(jiān)控系統(tǒng)是倉庫自動化管理的重要組成部分。監(jiān)控系統(tǒng)可對大面積范圍多部位地區(qū)實行實時有效的監(jiān)控，并對得到的信息進行及時處理，以保證物資安全儲存。傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在因采用有線連接方式而導(dǎo)致的可靠性差、易受損、布線麻煩等問題。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的出現(xiàn)恰好可以解決這類問題；而具有低成本、小體積、低功耗、低傳輸速率的ZigBee技術(shù)無疑成為目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的首選技術(shù)之一。
自2004年ZigBee聯(lián)盟正式發(fā)布ZigBee技術(shù)標準以來，許多公司廠商陸續(xù)推出了自己的芯片產(chǎn)品和開發(fā)系統(tǒng)，如飛思卡爾公司的MC13192， TI公司的CC24xx系列，Atmel公司的AT86RF系列等。目前，對ZigBee技術(shù)的研究與應(yīng)用也幾乎是基于以上的芯片。
本文在Z-Stack基礎(chǔ)上，成功組建了一個樹簇拓撲網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。在該網(wǎng)絡(luò)中，子節(jié)點將傳感器采集的4類數(shù)據(jù)以多跳的方式發(fā)往sink節(jié)點，在父節(jié)點失效的情況下，子節(jié)點能夠找到其他數(shù)據(jù)路徑，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

1 總體方案架構(gòu)
1．1 系統(tǒng)需求分析
倉庫為長方形，面積600 m2，所存儲物資是煙草，屬于貴重物品，所以設(shè)計的系統(tǒng)需要具備以下功能：
①防盜防破壞。貴重物品是犯罪分子盜竊和破壞的目標。案例分析表明，破門破窗而人占有很大比例，還有挖墻和揭頂而入的。
②防火報警。庫房物資屬于易燃物品，而且非常密集，如果火災(zāi)發(fā)現(xiàn)晚會增加滅火困難，造成重大經(jīng)濟損失；對其監(jiān)控有利于提前發(fā)現(xiàn)災(zāi)情，及時采取對策。
③溫濕度監(jiān)控。物資在倉庫集中存儲，易受環(huán)境影響，對環(huán)境溫濕度的監(jiān)控可以避免因庫房溫濕度的變化而造成煙葉霉變或糙碎，達到提高煙葉自然醇化質(zhì)量和卷煙制成品的內(nèi)在品質(zhì)的目的。
④無線通信。采用電纜布線缺點明顯，易對系統(tǒng)造成不必要的干擾且存在火災(zāi)的隱患。
1．2 系統(tǒng)方案設(shè)計
無線通信中，在接收靈敏度一定的情況下，無線發(fā)射功率P和接收半徑R之間的關(guān)系是P正比于 R2～R5。在長距離數(shù)據(jù)傳輸情況下，能耗情況會十分嚴重，特別是對于能量有限的系統(tǒng)來說，會造成節(jié)點過早死亡，所以直接數(shù)據(jù)傳輸?shù)男切尉W(wǎng)絡(luò)不能滿足需要，只能采用具有多級中繼路由節(jié)點的樹簇網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為三種：終端設(shè)備、路由器、協(xié)調(diào)器。其中終端設(shè)備為RFD，其他兩種為FFD。RFD作為樹枝末位的節(jié)點，一次只能連接一個FFD設(shè)備。
因為溫度濕度信號不會突變，所以在正常情況下每120s采集1次的頻率足夠滿足要求。成功發(fā)送數(shù)據(jù)后RFD節(jié)點進入休眠狀態(tài)，以節(jié)省能量；但是若探測到煙霧或者有人闖入，節(jié)點將以突發(fā)的方式傳送數(shù)據(jù)，以求數(shù)據(jù)達到監(jiān)控終端的延時最小。