基于ZigBee技术的环境监测系统的开发
1、引言
药厂环境条件中的温度和湿度指标是其重要参数, 研制可靠且实用的温湿度监测系统显得非常重要。通常, 采用有线网络实现温湿度监测,具有布线麻烦、设备随意移动性不强等缺点。随着射频技术、集成电路技术的发展, 无线通信功能的实现越来越容易, 数据传输速率也越来越快, 并且逐渐达到可以与有线网络相媲美的水平。无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）是计算机、通信和传感器3项技术相结合的产物，近年来得到了飞速发展，已成为计算机科学领域一个活跃的研究分支[1]。而Zigbee是部署无线传感器网络的新技术, 已于2004年底推出。ZigBee技术是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee过去又称为“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为ZigBee技术。ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。这种无线通信技术具有如下特点：决定它将是无线传感器网络的最好选择。1)功耗低；2）数据传输可靠；3）网络容量大；4）兼容性；5）安全性；6）实现成本低；7）自动动态组网、自主路由。
本文以Zigbee技术开发了一套符合GMP药厂要求的环境温度/湿度监测系统，该系统符合美国食品与药物管理局FDA Part 11标准。系统能对大面积的多点的温度/湿度进行监测，并将数据传输到PC机上进行数据存储与分析，并输出打印曲线，在设备异常情况下还以多种形式的报警通知相应人员。同时系统具有强大的分级管理功能，为不同阶层的用户管理提供了一个多级的管理、监控平台。
2、系统设计
2.1 ZigBee协议框架及其网络拓扑结构
ZigBee协议是一种低成本、低功耗、低速率嵌入式设备互相间及与外界网络通信的组网解决方案，它是ZigBee联盟基于IEEE 802.15.4技术标准物理层和媒体访问控制层(MAC层)协议对网络层协议和API进行标准化而制定的无线局域网组网、安全和应用软件方面的技术标准。ZigBee协议栈结构如图1所示。
药厂环境条件中的温度和湿度指标是其重要参数, 研制可靠且实用的温湿度监测系统显得非常重要。通常, 采用有线网络实现温湿度监测,具有布线麻烦、设备随意移动性不强等缺点。随着射频技术、集成电路技术的发展, 无线通信功能的实现越来越容易, 数据传输速率也越来越快, 并且逐渐达到可以与有线网络相媲美的水平。无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）是计算机、通信和传感器3项技术相结合的产物，近年来得到了飞速发展，已成为计算机科学领域一个活跃的研究分支[1]。而Zigbee是部署无线传感器网络的新技术, 已于2004年底推出。ZigBee技术是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee过去又称为“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为ZigBee技术。ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。这种无线通信技术具有如下特点：决定它将是无线传感器网络的最好选择。1)功耗低；2）数据传输可靠；3）网络容量大；4）兼容性；5）安全性；6）实现成本低；7）自动动态组网、自主路由。
本文以Zigbee技术开发了一套符合GMP药厂要求的环境温度/湿度监测系统，该系统符合美国食品与药物管理局FDA Part 11标准。系统能对大面积的多点的温度/湿度进行监测，并将数据传输到PC机上进行数据存储与分析，并输出打印曲线，在设备异常情况下还以多种形式的报警通知相应人员。同时系统具有强大的分级管理功能，为不同阶层的用户管理提供了一个多级的管理、监控平台。
2、系统设计
2.1 ZigBee协议框架及其网络拓扑结构
ZigBee协议是一种低成本、低功耗、低速率嵌入式设备互相间及与外界网络通信的组网解决方案，它是ZigBee联盟基于IEEE 802.15.4技术标准物理层和媒体访问控制层(MAC层)协议对网络层协议和API进行标准化而制定的无线局域网组网、安全和应用软件方面的技术标准。ZigBee协议栈结构如图1所示。
图1 ZigBee协议框架
在标准规范的制订方面，主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织，两者分别制订硬件与软件标准。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订MAC与PHY（物理层）规范，在2003年5月通过802.15.4标准； ZigBee建立在802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。802.15.4仅仅定义了实体层和介质访问层，并不足以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了ZigBee联盟。
在网络层方面，ZigBee联盟制订可以采用星形和网状拓扑，也允许两者的组合，称为丛集树状。根据节点的不同角色，可分为全功能设备（Full-Function Device；FFD）与精简功能设备（Reduced-Function Device；RFD）。相较于FFD，RFD的电路较为简单且存储体容量较小。FFD的节点具备控制器（Controller）的功能，能够提供数据交换，而RFD则只能传送数据给FFD或从FFD接收数据。
ZigBee协议套件紧凑且简单，具体实现的硬件需求很低，8位微处理器80c51即可满足要求，全功能协议软件需要32K字节的ROM，最小功能协议软件需求大约4K字节的ROM。
图2 ZigBee无线网络的拓扑结构
2.2 系统整体结构
系统整体结构按照丛集树状拓扑结构来组织，如下图3所示，由若干FFD、RFD，一个网关节点以及监控终端组成。
图3 系统整体结构示意图
2.3 无线传感器节点硬件设计
无线传感器网络的节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。节点的硬件原理框图如图4。处理器模块和无线通信模块采用CC2430 芯片, CC2430是一个真正的系统芯片( SoC) , 它包括了一个高性能的2.4GHz DSSS( 直接序列扩频) 射频收发器和高性能、低功耗的8051微控制器核。CC2430芯片采用0.18 um CMOS工艺生产, 工作时的电流损耗为27 mA; 在接收和发射模式下, 电流损耗分别小于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性, 特别适合无线传感器网络的应用。大大简化了射频电路的设计。传感器模块采用集成温湿度传感器SHT10。电源模块采用3V 纽扣电池。
无线传感器网络的节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。节点的硬件原理框图如图4。处理器模块和无线通信模块采用CC2430 芯片, CC2430是一个真正的系统芯片( SoC) , 它包括了一个高性能的2.4GHz DSSS( 直接序列扩频) 射频收发器和高性能、低功耗的8051微控制器核。CC2430芯片采用0.18 um CMOS工艺生产, 工作时的电流损耗为27 mA; 在接收和发射模式下, 电流损耗分别小于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性, 特别适合无线传感器网络的应用。大大简化了射频电路的设计。传感器模块采用集成温湿度传感器SHT10。电源模块采用3V 纽扣电池。
图4 节点硬件设计
SHT10 用于采集周围环境中的温度和湿度, 其工作电压为2.4～5.5V, 测湿精度为±4.5%RH, 25℃时测温精度为±0.5℃。采用SMD 贴片封装, 与处理器的通信电路I2C通信协议。
2.4 节点软件设计
节点软件设计采用了TinyOS操作系统，TinyOS 是美国的伯克利大学开发的,专为嵌入式无线传感器网络而设计，是一款自由和开放源码的操作系统和平台, 它采用面向元件结构,确保快速响应和执行,同时减小了代码量,以适应无线传感器网络严格的存储空间需要。它运行在每个网络节点上,是其他上层应用和协议运行的前提。其操作系统、库和程序服务程序是用nesC 写的。nesC 是一种开发组件式结构程序、具有C 语法风格的语言,其组件层次结构就如同一个网络协议栈,底层的组件负责接收和发送原始的数据位,而高层的组件对这些数据进行编码、解码,更高层的组件负责数据打包、路由和传输数据。组件用接口互相连接。TinyOS为普通的抽象描述提供了接口和组件，例如数据包通信，路由，感知，行为和储存。
无线传感器节点的应用程序采用nesC编写，分为数据采集、电池能量检测和无线通信这三个分别设计的模块。无线路由节点和无线终端节点比无线终端节点多一个数据汇集和上传的功能。
2.5 ZigBee网关设计
在该系统中，需要实现ZigBee无线传感器网络与以太网的互联，把网络中监测的温湿度数据需要发送到监测中心主机进行分析和显示。ZigBee网关实现该功能, 担当ZigBee网络和以太网的协议转换。ZigBee网关由下列部分组成: 内部集成符合IEEE 802.15.4标准的2.4GHz的射频(RF) 收发器的CC2430无线单片机; 采用ARM核的SamsungS3C44BOX微控制器; AX88796以太网控制器芯片等。
2.6 监控终端软件设计
作为一个完整的药厂环境监控系统，除了无线传感器网络技术研究，运行在计算机服务器上的上层管理软件必不可少。本系统中，上层管理软件采用三层C/S 模式，实时对传感器网络送来的数据进行处理，形成用户最终关心的数据表现形式，局域网内的办公用户在经过授权后，可以读取监控主机上的实时数据，实现远程的监测。监控应用软件还对传感器网络中的每个节点进行跟踪管理。对于监控到异常情况，上层管理软件使用声光、短信、电话实时报警方式。可显示参数列表、实时曲线图（对应具体数值并任意调整坐标）、实时数据、折算数据、累计数据、历史、报警画面、报表等多种显示、统计功能更加贴近用户需求。
3、实验结果
为了检验该温湿度传感器的性能, 将3个温湿度传感器节点置于RZ-80-E型高精度的温湿度试验箱中, 试验箱的温度控制精 ±0.3℃，湿度控制精度 ± 2.5% R.H。将测量的标准值与控制主机采集的测量值相比较, 从测量数据可以看出, 测量误差较小, 满足使用要求。测量值与实际值之间的误差主要是传感器自身测量误差, 网络传输过程中几乎不会引人误差。
4、结论
该无线温湿度传感器网络以低成本、低功耗无线单片机CC2430为核心, 采用数字温湿度传感器SHT10获取数据, 电路结构简单、工作稳定可靠、检测精度高, 且具有无线数据通信灵活方便等特点, 特别适用于工业现场环境、监测封闭空间和其它需要多点监测的特殊场合。
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