基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對傳統(tǒng)人工采集費(fèi)時(shí)費(fèi)力和有線監(jiān)控布線復(fù)雜、維護(hù)困難的局限性，將傳感器與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，提出了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)及信息的無線收發(fā)，通過公共網(wǎng)關(guān)接口CGI將數(shù)據(jù)和控制信息傳送到互聯(lián)網(wǎng)，操作人員從遠(yuǎn)距離的PC機(jī)上實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)、實(shí)施控制，從而實(shí)現(xiàn)了真正意義的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：ZigBee；無線網(wǎng)絡(luò)；傳感器；環(huán)境控制；CGI

    現(xiàn)有的機(jī)房監(jiān)控主要采用人工監(jiān)控和有線監(jiān)控兩種方法。傳統(tǒng)的人工檢測和控制方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力；有線傳輸面臨著布線復(fù)雜、維護(hù)和更新升級困難，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的誕生給它帶來了一場全新的革命。
    文中提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過對機(jī)房的濕度、溫度、光照、火警和水浸等幾個(gè)重要因素進(jìn)行實(shí)時(shí)的智能化監(jiān)測和控制，同時(shí)還可以通過手機(jī)短信通知管理者。文中重點(diǎn)介紹了基于ZStack的應(yīng)用程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)房內(nèi)多種信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測、處理和控制。

1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
    ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它是一種介于無線標(biāo)記和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案。ZigBee是建立在IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)之上的，IEEE規(guī)定了ZigBee的物理層和媒體接入控制層，網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層和高層應(yīng)用規(guī)范由ZigBee聯(lián)盟制定。ZigBee協(xié)議規(guī)定了3個(gè)可用頻段868 MHz、915 MHz和2．4GHz，分別提供：1個(gè)、10個(gè)和16個(gè)共計(jì)27個(gè)信道。其中2．4GHz為全球通用頻段，傳輸速率達(dá)250Kb／S。   ZigBee技術(shù)采用CSMA—CA的信道接入方式，可有效避免通信的沖突。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀、網(wǎng)狀和樹狀三種自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，其連接地址分為16位短地址和64位長地址，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，可組成多達(dá)65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)，一個(gè)區(qū)域可以有100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存在。
    基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)，具有低成本、低功耗、低速率、高可靠性等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    以自動(dòng)控制原理為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用傳感器與執(zhí)行器件構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)配有傳感器感知機(jī)房環(huán)境，控制節(jié)點(diǎn)配有執(zhí)行器件改善機(jī)房環(huán)境。傳感器節(jié)點(diǎn)與控制節(jié)點(diǎn)相互配合，共同為機(jī)房內(nèi)機(jī)器運(yùn)行提供適宜的環(huán)境。

    本系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和主控中心組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，負(fù)責(zé)感知環(huán)境的變化，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2．2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    網(wǎng)關(guān)是互聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通訊橋梁。本方案提供了3種網(wǎng)關(guān)接入方式：本地訪問、手機(jī)訪問和互聯(lián)網(wǎng)訪問。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．3 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在3種邏輯設(shè)備類型，即協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備，并且在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)協(xié)調(diào)器。當(dāng)協(xié)調(diào)器被激活后，它就會(huì)建立一個(gè)自己的網(wǎng)絡(luò)。本方案采用的是星型網(wǎng)絡(luò)，在星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)唯一的PAN主協(xié)調(diào)器，通過選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性。路由或終端都可以加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中來。

3 硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)硬件主要包括3部分，其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)核心是基于TI公司的CC2430開發(fā)的無線模塊；網(wǎng)關(guān)是基于ARM微處理器的嵌入式平臺(tái)；主控中心是PC機(jī)。
    CC2430是挪威Chipcon公司的一款真正符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的片上ZigBee產(chǎn)品。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2．4 GHz ISM波段應(yīng)用，及對低成本、低功耗的要求。CC2430無線單片機(jī)在待機(jī)時(shí)的電流消耗僅0．2μA，在32 kHz晶振下運(yùn)行時(shí)的電流消耗小于1μA。因此，使用小型電池壽命可以長達(dá)10年。
3．1 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由無線收發(fā)器CC2430、射頻天線RF、電源模塊、晶振模塊、串口模塊和LED指示燈組成，功能模塊如圖3所示。RF的輸入／輸出是高阻和差動(dòng)的，用于RF口最合適的差動(dòng)負(fù)載是(115+180 Ω)。當(dāng)使用不平衡天線時(shí)為了優(yōu)化性能，應(yīng)當(dāng)使用不平衡變壓器。由于CC2430的工作電壓為3．3 V，所以要用電壓轉(zhuǎn)換模塊把5 V降到3.3 V。CC2430可以同時(shí)接32 MHz和32．768 kHz的兩種頻率的晶振電路，以滿足不同的要求。串口模塊用于ZigBee協(xié)調(diào)器將無線接收的數(shù)據(jù)信息傳送給網(wǎng)關(guān)，同時(shí)接收網(wǎng)關(guān)傳送過來的控制命令。LED指示燈用于顯示網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。

3．2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    無線傳感器節(jié)點(diǎn)由各種數(shù)據(jù)采集模塊、CC2430數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能模塊組成，功能模塊如圖4所示。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、火警和水浸等信息并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；CC2430數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交換、傳輸采集數(shù)據(jù)、接收控制命令。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用來保存?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。電源管理模塊采用兩節(jié)5號(hào)干電池。LED指示燈顯示加入或退出網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

    路由器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是將不同區(qū)域的數(shù)據(jù)從傳感器節(jié)點(diǎn)路由到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，因此電路比較簡單，不再贅述。

4 軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用的開發(fā)環(huán)境是IAR7，系統(tǒng)軟件是基于TI公司的Z-Stack 2006協(xié)議棧開發(fā)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中可以看出本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括3大部分：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于Z-Stack的應(yīng)用程序開發(fā)；網(wǎng)關(guān)基于Qt的應(yīng)用程序開發(fā)；主控中心Web應(yīng)用程序開發(fā)，本文著重實(shí)現(xiàn)基于Z-Stack的應(yīng)用程序開發(fā)。
4．1 ZigBee協(xié)議棧
    ZigBee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，每一層向它的上層提供數(shù)據(jù)和管理服務(wù)，分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(ADL)，應(yīng)用層又分為：應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)和由制造商制定的應(yīng)用對象。其中PHY和MAC位于最低層，且與硬件相關(guān)；除此之外的其他層建立在PHY和MAC層之上，并且完全與硬件無關(guān)。分層的結(jié)構(gòu)脈絡(luò)清晰、一目了然，給設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來極大的方便。

    實(shí)際開發(fā)中根據(jù)需要將協(xié)議棧的層次又做了細(xì)化，Z-Stack軟件的總體架構(gòu)如圖5所示。Z-Stack中的硬件抽象層HAL提供各種硬件模塊的驅(qū)動(dòng)，基于HAL之上是操作系統(tǒng)抽象層OSAL，OSAL實(shí)現(xiàn)了一個(gè)易用的操作系統(tǒng)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)為核心的系統(tǒng)資源管理機(jī)制。Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪循機(jī)制，當(dāng)各個(gè)層初始化完成后，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)立刻被喚醒，并轉(zhuǎn)而進(jìn)入中斷處理事件，處理完成后再次進(jìn)入低功耗模式，減少功耗。OSAL把優(yōu)先級放在了最重要的地位。當(dāng)在處理的任務(wù)中有兩個(gè)以上事件待處理，處理完一件后，也要去查詢優(yōu)先級更高的任務(wù)。賦予優(yōu)先級高的任務(wù)最大的權(quán)利，盡可能保證高優(yōu)先級任務(wù)的每一個(gè)事件都能得到最及時(shí)的處理。操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度流程如圖6所示。

    開發(fā)所用協(xié)議棧目錄結(jié)構(gòu)如圖7所示。主要用到的文件有：ZMain／ZMian．c、Tools／f8wConfig．cfg、App／OSAL_SampleApp．c和App ／SampleApp．c。其中ZigBee協(xié)議棧的main函數(shù)在ZMain．c中，總體上來說它一共做了兩件事，一個(gè)是系統(tǒng)初始化，即由啟動(dòng)代碼來初始化硬件系統(tǒng)和軟件架構(gòu)需要的各個(gè)模塊；一個(gè)是執(zhí)行操作系統(tǒng)實(shí)體。fSwConfig．cfg為網(wǎng)絡(luò)配置文件。App／OSAL_SampleApp．c為操作系統(tǒng)任務(wù)初始化和添加文件。App／SampleApp．c為應(yīng)用程序核心文件。整個(gè)Z-stack的主要工作流程大致分為：系統(tǒng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)初始化，OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段。

4．2 無線傳感網(wǎng)軟件平臺(tái)搭建
    操作系統(tǒng)是通過調(diào)度各項(xiàng)任務(wù)來使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)的運(yùn)作起來的。對不同類型設(shè)備的處理作為一個(gè)任務(wù)，把新建的任務(wù)添加到系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)便會(huì)把新任務(wù)與協(xié)議棧融合到一起，使系統(tǒng)具備新的功能，即完成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件平臺(tái)的搭建。
    1)建立任務(wù)：任務(wù)初始化函數(shù)的建立
    任務(wù)初始化函數(shù)要做兩件事，首先是為任務(wù)獲取系統(tǒng)分配的任務(wù)ID，最后是初始化運(yùn)行任務(wù)所需的硬件資源及變量。
    任務(wù)初始化函數(shù)的格式為：
    XXX_Init(unsigned char task_id)
    {
    XXX_TaskID=task_id；
    初始化任務(wù)運(yùn)行所需的硬件資源及變量。
    }
    其中“XXX”表示任務(wù)的名稱。“XXX_TaskID”是用戶自己定義的變量，用于存儲(chǔ)任務(wù)的ID號(hào)。
    2)建立任務(wù)：任務(wù)事件處理函數(shù)的建立
    對模塊的各種外部變化操作系統(tǒng)以事件的方式來處理，不同的宏定義代表不同事件，比如：KEY_CHANGE為按鍵事件；ZD0_STATE_CHANGE為網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化事件；AF_INCOMING_MSG CMD表示接收到其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，該事件為無線處理的重要事件。
    任務(wù)事件處理函數(shù)原型為：uint16 Sample_ProcessEvent(uint8 task_id，uint16 events)；形參task_id為任務(wù)ID號(hào)，events為事件代號(hào)。
    3)添加任務(wù)
    所有的任務(wù)添加都是在應(yīng)用層App／OSAL_SampleApp．c中通過osalTaskAdd()函數(shù)添加一個(gè)OSAL任務(wù)，函數(shù)原型為：
    void osalTask Add(const pTaskInitFn pfninit，
    const pTaskEventHandlerFn pfnEventProcessor，
    const byte taskPriority)
    參數(shù)1：pfnInit(指向任務(wù)初始化函數(shù)的指針)；
    參數(shù)2：pfnEventProcessor(指向任務(wù)事件處理函數(shù)的指針)；
    參數(shù)3：taskPrioritv(任務(wù)優(yōu)先級)。
4．3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)置與組網(wǎng)
4．3．1 網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)置
    在Tools／f8wConfig．cfg配置文件中定義了工程相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)置。其中比較重要的是ZigBee通信相關(guān)的信道通道的設(shè)置和PAN ID的設(shè)置。用戶可以通過更改該文件中的相關(guān)宏定義，來控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通道和PAN ID，以此來解決多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的沖突問題。信道是數(shù)據(jù)在物理層傳輸時(shí)使用的通道：PIN ID為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)符，用來區(qū)別不同的網(wǎng)絡(luò)。
    除此之外在啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)前還需要修改模塊的物理地址。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，無論是協(xié)調(diào)器還是路由器或終端節(jié)點(diǎn)，每個(gè)模塊都有自己唯一的64位物理地址。物理地址的修改有兩種方式，一種是通過Zmain／Zmain．c中的zmain_ext_addr()函數(shù)設(shè)置；另一種是使用Chipeon Flash Programmer軟件。默認(rèn)地址0xff ff ff ff ff ff ff ff為無效的，除此之外都是有效的，且保證在網(wǎng)絡(luò)中的唯一性即可。
4．3．2 網(wǎng)絡(luò)組建
    1)協(xié)調(diào)器格式化網(wǎng)絡(luò)
    協(xié)調(diào)器將掃描DEFAULT_CHANLIST指定的通道，最后在其中之一上形成網(wǎng)絡(luò)。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID被定義為0xFFFF，那么協(xié)調(diào)器將根據(jù)自身的IEEE地址建立一個(gè)隨機(jī)的PAN ID。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID沒有被定義為0xFFFF，那么協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)的PAN ID將由ZDAPP_CONFIG _PAN_ID指定，通常這個(gè)值介于0～0x3FFF。
    2)路由器和終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)
    路由器和終端設(shè)備啟動(dòng)后，將掃描DEFAULT_CHANLIST指定的頻道。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID沒有被定義為0xFFFF，則路由器或終端將強(qiáng)制加入ZDAPP_CONFIG_PAN_ID定義的網(wǎng)絡(luò)。反之隨機(jī)加入網(wǎng)絡(luò)。
4．4 數(shù)據(jù)傳輸
    系統(tǒng)中涉及的數(shù)據(jù)傳輸方式有兩種：無線收發(fā)和串口收發(fā)。其中節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送采集信息、協(xié)調(diào)器向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信息是通過無線收發(fā)實(shí)現(xiàn)的；協(xié)調(diào)器將采集信息傳送給網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)關(guān)向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令是通過串口收發(fā)實(shí)現(xiàn)的。
4．4．1 無線數(shù)據(jù)收發(fā)
    1)無線發(fā)送  系統(tǒng)中采用短地址方式發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以幀格式傳輸。在發(fā)送前按照協(xié)議規(guī)定的幀形式構(gòu)建數(shù)據(jù)幀，然后調(diào)用無線發(fā)送函數(shù)。函數(shù)原型為：uint8 SendData(uint8*buf，uint16 addr，uint8 Leng)；buf為發(fā)送數(shù)據(jù)指針；addr為目的地址；Leng發(fā)送數(shù)據(jù)長度。
    2)無線接收  對于無線接收并沒有像發(fā)送一樣單獨(dú)的處理函數(shù)，而是在任務(wù)處理函數(shù)中通過處理無線接收數(shù)據(jù)事件來完成處理的，具體函數(shù)如下：

    其中AF_INCOMING_MSG_CMD為無線接收事件宏定義，SampleApp_MessageMSGCB()函數(shù)則為具體接收事件的處理函數(shù)。
4．4．2 串口數(shù)據(jù)收發(fā)
    系統(tǒng)中所用的串口為無線芯片CC2430自帶資源，通過自定義串口收發(fā)函數(shù)來使用該資源，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。
    串口發(fā)送函數(shù)原型為：
    void UartTX_Send_String(char*Data，int len)；
    串口接收函數(shù)原型為：
    char UartRX_Receive_Char(void)；

5 結(jié)束語
    隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的普及，基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。文中將ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，介紹了系統(tǒng)總體架構(gòu)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部分的軟、硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程，重點(diǎn)介紹了無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測量并顯示機(jī)房內(nèi)各點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，使管理者能夠及時(shí)了解機(jī)器工作環(huán)境，從而及時(shí)、有效地采取措施。如果更換采集節(jié)點(diǎn)的傳感器，該監(jiān)控系統(tǒng)可以應(yīng)用于不同的場合，可見無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。