ZigBee技術的樹簇網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)設計

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)絡的組網(wǎng)實驗，并實際應用于某煙草倉庫。結果表明：所設計的監(jiān)控系統(tǒng)具有較好的通用性、網(wǎng)絡魯棒性，很容易在工業(yè)控制監(jiān)控、樓宇自動化領域推廣應用。
關鍵詞 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(tǒng)技術、通信技術和計算機技術的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(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技術無疑成為目前無線傳感器網(wǎng)絡應用的首選技術之一。
    自2004年ZigBee聯(lián)盟正式發(fā)布ZigBee技術標準以來，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(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)。在該網(wǎng)絡中，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
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量和卷煙制成品的內(nèi)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(tǒng)造成不必要的干擾且存在火災的隱患。
1．2 系統(tǒng)方案設計
    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。系統(tǒng)總體結構示意圖如圖1所示。

    網(wǎng)絡中的設備分為三種：終端設備、路由器、協(xié)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(jié)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(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。

2 節(jié)點硬件設計
    由于節(jié)點的數(shù)量較大，為了方便生產(chǎn)，將FFD和RFD設備的主要區(qū)別放在軟件方面；而硬件部分除了協(xié)調器具有UART接口外，其他都是相同的?？傮w分為核心單元CC2430、傳感器模塊以及電源管理模塊3部分。硬件的總體框圖如圖2所示。

2．1 核心單元CC2430
    CC2430是TI公司推出的支持ZigBee協(xié)議的SoC解決方案，可用于各種ZigBee無線節(jié)點，包括協(xié)調器、路由器和終端設備。它延用了 CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、存儲器和微控制器。CC2430F128內(nèi)嵌增強型8051 MCU，8 KB RAM，128 KBFlash，包含8路ADC、3個定時器、AESl28加密電路，MAC協(xié)處理器、看門狗定時器，以及21個可編程I／O引腳，支持4種不同程度的休眠模式。
2．2 傳感器模塊
    (1)溫濕度傳感器
    采用瑞士Sensirion傳感器公司推出的SHT1O溫濕度一體傳感器。該傳感器芯片由溫度和濕度探頭、校準存儲器、14位模數(shù)轉換器、雙向I／O兩線串行輸出接口組成。其工作電壓為2．4～5．5 V，支持閑時自動低功耗。測濕精度為±4．5％RH，25℃時測溫精度為±0．5℃。SHT10對溫度或濕度的測量由串行輸入的指令確定，測量值的輸出可選擇為8位、12位或14位。
    (2)煙霧報警傳感器和人體紅外傳感器考慮到監(jiān)控人員對煙霧和闖入人員的信息需求只限為“有”或“沒有”，因此兩種傳感器只需在事件發(fā)生時傳遞一個脈沖信號即可。此脈沖經(jīng)過濾波限流后輸入CC2430的I／O口，將相應的I／O口設置為上升沿中斷檢測模式即可檢測信號。
    煙霧報警傳感器采用SH－533模塊，搭載TP1．1氣體傳感器，附帶蜂鳴器、LED報警指示；工作電壓7～20 V，靜態(tài)電流10 mA，檢測面積為10 m2左右。煙霧觸發(fā)輸出為5 V高電平脈沖信號，由于CC2430工作電壓為3．3 V，所以用電阻對其做了簡單的分壓。
    人體紅外傳感器采用sH－912模塊，搭載PIR熱釋電傳感器并配合菲涅爾透鏡使用；工作電壓4．5～20 V，靜態(tài)電流50 μA，感應角度110°，最大感應距離7 m。紅外觸發(fā)輸出3．3 V脈沖信號。
2．3 電源管理模塊
    為保證傳感器采集數(shù)據(jù)的及時傳遞，減小終端在競爭信道過程中產(chǎn)生的碰撞造成能量的損耗，本系統(tǒng)中FFD設備采用不間斷供電(UPS)。即使在庫房掉電的情況下，F(xiàn)FD設備也能靠充電電池維持工作。

3 軟件設計
3．1 Z－Stack簡介
    Z－Stack是由TI公司推出的基于ZigBee標準的協(xié)議棧軟件，可在www．focu．ti．com．cn免費下載。它包含了ZigBee標準描述的各層次的功能組件模塊，向開發(fā)人員提供了一系列的API。通過調用這些API，可以實現(xiàn)ZigBee標準中各層次的相應功能。基于這些功能模塊，可以更便捷地開發(fā)出各種基于ZigBee協(xié)議的應用產(chǎn)品。圖3為Z-Stack結構。(注：Z-Stack協(xié)議棧核心的部分，包括安全模塊、路由模塊、Mesh 網(wǎng)絡支持等，都只以庫的方式提供。)

    在終端設備嵌入式軟件中，操作系統(tǒng)模塊主要實現(xiàn)的是簡單的任務輪詢和工作調度的功能，同時還需實現(xiàn)節(jié)點硬件的初始化和功能配置。這個操作系統(tǒng)模塊不是真正意義上的操作系統(tǒng)，而是一個具有操作系統(tǒng)任務調度功能的模塊。該操作系統(tǒng)模塊在Z-Stack中由OSAL組件構成。操作系統(tǒng)模塊的任務調度具體方式是：首先，為需要實現(xiàn)的功能建立任務，且每一個任務有不同的事件。當操作系統(tǒng)運行時，會不間斷地輪詢所有任務的標志位。若標志位有效，則表明該任務有事件發(fā)生，調用任務事件處理函數(shù)，并在任務處理函數(shù)中，根據(jù)標志位，判斷是什么事件發(fā)生。然后，系統(tǒng)做出對應的操作，最后將標志位清零。
3．2 樹簇拓撲的形成及路徑發(fā)現(xiàn)與維護
    由于文章篇幅有限，不能依次介紹方案中比較關鍵的應用層、硬件描述層、NWK層以及OSAL，以下著重描述NWK層的樹簇拓撲的形成以及路徑的發(fā)現(xiàn)與維護。
    Z-Stack總共默認65 000個設備入網(wǎng)。為保證網(wǎng)絡中每個節(jié)點的地址是唯一的，使用了分布式尋址方案，由父節(jié)點分配子節(jié)點地址。此種算法保證了控制端的數(shù)據(jù)包能夠精確地發(fā)送到指定設備，子節(jié)點也只能有一個父節(jié)點，有助于網(wǎng)絡的可測量性。在網(wǎng)絡初始化之前，有幾個參數(shù)需要配置，分別是MAX_DEPTH、MAX_ROUTERS 和MAX_CHILDREN[6]。
    MAX_DEPTH決定了網(wǎng)絡的最大深度。協(xié)調器在最頂層，位于深度0；它的子節(jié)點位于深度1，依此類推。MAX_CHILDREN決定了一個路由器或者一個協(xié)調器可以處理的最大子節(jié)點個數(shù)。MAX_ROUTERS決定了一個路由器或者一個協(xié)調器可以連接的最大路由器的個數(shù)。這個參數(shù)是 MAX_CHILDREN的一個子集，終端設備使用(MAX_CHILDREN-MAX_ROUTERS)剩下的地址空間。圖4為使用自定義棧配置后的網(wǎng)絡拓撲和節(jié)點地址分配示意圖。LAYER1最多20個節(jié)點，其中包含6個路由節(jié)點。

    在網(wǎng)絡初始化過程中，協(xié)調器先將自身設置為一個簇標識符為0的簇頭，并向臨近的設備以廣播方式發(fā)送信標幀。接收到信標幀的設備(路由器或終端設備)向簇頭請求加入網(wǎng)絡，如果作為父節(jié)點的協(xié)調器允許該設備的加入，則將其作為子節(jié)點加入到它的鄰居表中，同時，請求加入的設備將協(xié)調器作為父節(jié)點加入到鄰居表中，成為從設備。已經(jīng)加入網(wǎng)絡的路由器也廣播信標幀，以這種方式，直到所有設備都接入網(wǎng)絡。在接入網(wǎng)絡的同時，廣播信標幀的父節(jié)點會向接人的子節(jié)點分配唯一的 16位網(wǎng)絡短地址。圖5是網(wǎng)絡建立和節(jié)點入網(wǎng)流程。
    終端設備沒有路由功能。它需要將數(shù)據(jù)發(fā)送給它的父節(jié)點，父節(jié)點以它自己的名義執(zhí)行路由。當路由器從應用層或子節(jié)點收到單點發(fā)送數(shù)據(jù)包時，NWK層會將其傳遞到下層。如果目標節(jié)點是相鄰路由器中的一個，則數(shù)據(jù)包被直接發(fā)送；否則，路由器會檢索它的路由表中與所要傳送的數(shù)據(jù)包的目標地址相符合的記錄。如果存在與目標地址相符合的路由記錄，則數(shù)據(jù)包將被發(fā)往記錄中的下一級地址；如果沒有發(fā)現(xiàn)任何相關的路由記錄，則路由器發(fā)起路徑尋找，數(shù)據(jù)包存儲在緩沖區(qū)中直到路徑尋找結束。如果數(shù)據(jù)包沿著某條路由路徑傳送失敗，這個路徑就被認定是壞鏈，父節(jié)點將啟動路徑修復。節(jié)點發(fā)起重新發(fā)現(xiàn)直到下一次數(shù)據(jù)包到達該節(jié)點，標志路徑修復完成。如果不能夠啟動發(fā)現(xiàn)或者由于某種原因失敗了，節(jié)點則向數(shù)據(jù)包的源節(jié)點發(fā)送一個錯誤包(RERR)，它將重新啟動路徑發(fā)現(xiàn)。
3．3上位機GUI設計
    在GUI中將節(jié)點編號和其IEEE地址綁定，實現(xiàn)了對突發(fā)事件地點的報警和定位。采用數(shù)據(jù)庫，分別將每個節(jié)點上傳數(shù)據(jù)寫入，同時貼上時間標簽。監(jiān)控人員可以自由查看選定時段的倉庫任意地點的狀況，同時GUI將突發(fā)事件數(shù)據(jù)以列表方式單獨抽取出來，以供查閱方便。在工作時間可以將人體紅外傳感器采集的數(shù)據(jù)屏蔽，避免誤觸發(fā)。

4 運行及測試結果
4．1 節(jié)點性能測試
    通信距離測試：CC2430芯片工作電壓為3．3 V，射頻發(fā)送功率0 dBm，空曠地帶可靠傳輸距離30 m。功耗測試：CC2430射頻發(fā)射峰值功耗30 mA，接收峰值25 mA，休眠狀態(tài)0．1μA；為了保證實時監(jiān)控，傳感器得24小時工作，由此選擇了低功耗的傳感器。節(jié)點整機平均電流消耗17 mA。UPS功能測試：路由器接上220 V市電，正常入網(wǎng)后拔掉電源插頭，節(jié)點不掉電，不重啟；工作一段時間再插上電源，節(jié)點無死機，不重啟，充電芯片給電池正常充電。表1為不同通信距離節(jié)點數(shù)據(jù)包丟包率比較。丟包率在2％以下時，認為數(shù)據(jù)可靠傳輸。

4．2 網(wǎng)絡測試
    由于節(jié)點個體有差異，在實際布局時，F(xiàn)FD設備間隔15～20 m，終端設備按照8 m2一個的密度布置。設置2條路由路徑，每條路徑中繼節(jié)點4個，終端20個，在網(wǎng)絡拓撲穩(wěn)定后，關閉LAYER1的一個路由節(jié)點，路由路徑中斷后， LAYER2及以下路由器的新路由路徑重新建立時間為26 s，斷路的所有節(jié)點全部重新入網(wǎng)的時間為134 s。網(wǎng)絡較快的自修復能力保證了網(wǎng)絡的魯棒性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和監(jiān)控的實時性，避免了多跳網(wǎng)絡中由于主要路由器故障導致大面積網(wǎng)絡癱瘓。
4．3 系統(tǒng)測試
    節(jié)點正常工作時120 s采集傳送一次溫度濕度信號，人體紅外傳感器和煙霧報警傳感器在觸發(fā)后，節(jié)點立即傳送信號。實驗中人體接近監(jiān)控區(qū)域，監(jiān)控GUI在3 s內(nèi)發(fā)出報警信號，并且隨著人體移動，移動軌跡上的節(jié)點依次報警。煙霧信號測試也符合要求。

結 語
    本文重點介紹了硬件平臺的搭建和對Z-Stack的NWK層的分析與修改，完成了對樹簇拓撲網(wǎng)絡的組建。所設計的節(jié)點能夠正確采集多種傳感器信號，網(wǎng)絡也具有較好的穩(wěn)定性和自愈能力。系統(tǒng)在人體紅外傳感器的配合下，可以對監(jiān)控范圍內(nèi)活動的人員實行跟蹤定位。該方案已經(jīng)應用于某煙草倉庫的自動化管理項目中。
    由于本設計中FFD設備與RFD設備射頻發(fā)送功率相同，通信距離較短，還不能顯著體現(xiàn)ZigBee樹簇多跳網(wǎng)絡優(yōu)勢；給關鍵路由器添加射頻功放，拓展其通信距離，可在低功耗、大面積監(jiān)控領域中大顯身手。