ZigBee技術的樹簇網絡監控系統設計

摘要 介紹一種基于ZigBee協議棧Z－Stack的倉庫無線實時監控系統解決方案；應用首款支持ZigBee協議的單芯片 CC2430及多種傳感器實現了硬件平臺。分析Z－stack NWK層工作原理，完成了多跳路由樹簇網絡的組網實驗，并實際應用于某煙草倉庫。結果表明：所設計的監控系統具有較好的通用性、網絡魯棒性，很容易在工業控制監控、樓宇自動化領域推廣應用。
關鍵詞 ZigBee Z-Stack 樹簇拓撲 CC2430 監控系統

引 言
倉庫監控系統是倉庫自動化管理的重要組成部分。監控系統可對大面積范圍多部位地區實行實時有效的監控，并對得到的信息進行及時處理，以保證物資安全儲存。傳統監控系統存在因采用有線連接方式而導致的可靠性差、易受損、布線麻煩等問題。隨著半導體技術、微系統技術、通信技術和計算機技術的飛速發展，無線傳感器網絡(WSN)的出現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技術無疑成為目前無線傳感器網絡應用的首選技術之一。
自2004年ZigBee聯盟正式發布ZigBee技術標準以來，許多公司廠商陸續推出了自己的芯片產品和開發系統，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技術的研究與應用也幾乎是基于以上的芯片。
本文在Z-Stack基礎上，成功組建了一個樹簇拓撲網絡監控系統。在該網絡中，子節點將傳感器采集的4類數據以多跳的方式發往sink節點，在父節點失效的情況下，子節點能夠找到其他數據路徑，從而實現了數據的可靠傳輸。

1 總體方案架構
1．1 系統需求分析
倉庫為長方形，面積600 m2，所存儲物資是煙草，屬于貴重物品，所以設計的系統需要具備以下功能：
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，如果火災發現晚會增加滅火困難，造成重大經濟損失；對其監控有利于提前發現災情，及時采取對策。
③溫濕度監控。物資在倉庫集中存儲，易受環境影響，對環境溫濕度的監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量和卷煙制成品的內在品質的目的。
④無線通信。采用電纜布線缺點明顯，易對系統造成不必要的干擾且存在火災的隱患。
1．2 系統方案設計
無線通信中，在接收靈敏度一定的情況下，無線發射功率P和接收半徑R之間的關系是P正比于 R2～R5。在長距離數據傳輸情況下，能耗情況會十分嚴重，特別是對于能量有限的系統來說，會造成節點過早死亡，所以直接數據傳輸的星形網絡不能滿足需要，只能采用具有多級中繼路由節點的樹簇網絡。系統總體結構示意圖如圖1所示。

網絡中的設備分為三種：終端設備、路由器、協調器。其中終端設備為RFD，其他兩種為FFD。RFD作為樹枝末位的節點，一次只能連接一個FFD設備。
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。成功發送數據后RFD節點進入休眠狀態，以節省能量；但是若探測到煙霧或者有人闖入，節點將以突發的方式傳送數據，以求數據達到監控終端的延時最小。