基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

1、引言

　　藥廠環(huán)境條件中的溫度和濕度指標(biāo)是其重要參數(shù), 研制可靠且實(shí)用的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)顯得非常重要。通常, 采用有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)溫濕度監(jiān)測,具有布線麻煩、設(shè)備隨意移動性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。隨著射頻技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展, 無線通信功能的實(shí)現(xiàn)越來越容易, 數(shù)據(jù)傳輸速率也越來越快, 并且逐漸達(dá)到可以與有線網(wǎng)絡(luò)相媲美的水平。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）是計(jì)算機(jī)、通信和傳感器3項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，近年來得到了飛速發(fā)展，已成為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)活躍的研究分支[1]。而Zigbee是部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù), 已于2004年底推出。ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)，低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)。ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通訊技術(shù)的名稱。ZigBee過去又稱為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)一稱為ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)則致力于提供一種廉價(jià)的固定、便攜或者移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術(shù)。這種無線通信技術(shù)具有如下特點(diǎn)：決定它將是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最好選擇。1)功耗低；2）數(shù)據(jù)傳輸可靠；3）網(wǎng)絡(luò)容量大；4）兼容性；5）安全性；6）實(shí)現(xiàn)成本低；7）自動動態(tài)組網(wǎng)、自主路由。

　　本文以Zigbee技術(shù)開發(fā)了一套符合GMP藥廠要求的環(huán)境溫度/濕度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)符合美國食品與藥物管理局FDA Part 11標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)能對大面積的多點(diǎn)的溫度/濕度進(jìn)行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與分析，并輸出打印曲線，在設(shè)備異常情況下還以多種形式的報(bào)警通知相應(yīng)人員。同時(shí)系統(tǒng)具有強(qiáng)大的分級管理功能，為不同階層的用戶管理提供了一個(gè)多級的管理、監(jiān)控平臺。

2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee協(xié)議框架及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　ZigBee協(xié)議是一種低成本、低功耗、低速率嵌入式設(shè)備互相間及與外界網(wǎng)絡(luò)通信的組網(wǎng)解決方案，它是ZigBee聯(lián)盟基于IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)物理層和媒體訪問控制層(MAC層)協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化而制定的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

                         
                                  圖1 ZigBee協(xié)議框架

　　在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制訂方面，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個(gè)組織，兩者分別制訂硬件與軟件標(biāo)準(zhǔn)。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，負(fù)責(zé)制訂MAC與PHY（物理層）規(guī)范，在2003年5月通過802.15.4標(biāo)準(zhǔn)； ZigBee建立在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應(yīng)用綱要。802.15.4僅僅定義了實(shí)體層和介質(zhì)訪問層，并不足以保證不同的設(shè)備之間可以對話，于是便有了ZigBee聯(lián)盟。

　　在網(wǎng)絡(luò)層方面，ZigBee聯(lián)盟制訂可以采用星形和網(wǎng)狀拓?fù)?，也允許兩者的組合，稱為叢集樹狀。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同角色，可分為全功能設(shè)備（Full-Function Device；FFD）與精簡功能設(shè)備（Reduced-Function Device；RFD）。相較于FFD，RFD的電路較為簡單且存儲體容量較小。FFD的節(jié)點(diǎn)具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數(shù)據(jù)交換，而RFD則只能傳送數(shù)據(jù)給FFD或從FFD接收數(shù)據(jù)。
　　
　　ZigBee協(xié)議套件緊湊且簡單，具體實(shí)現(xiàn)的硬件需求很低，8位微處理器80c51即可滿足要求，全功能協(xié)議軟件需要32K字節(jié)的ROM，最小功能協(xié)議軟件需求大約4K字節(jié)的ROM。

                                 
                                   圖2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)按照叢集樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來組織，如下圖3所示，由若干FFD、RFD，一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及監(jiān)控終端組成。

                    
                            圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖
 
2.3 無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)的硬件原理框圖如圖4。處理器模塊和無線通信模塊采用CC2430 芯片, CC2430是一個(gè)真正的系統(tǒng)芯片( SoC) , 它包括了一個(gè)高性能的2.4GHz DSSS( 直接序列擴(kuò)頻) 射頻收發(fā)器和高性能、低功耗的8051微控制器核。CC2430芯片采用0.18 um CMOS工藝生產(chǎn), 工作時(shí)的電流損耗為27 mA; 在接收和發(fā)射模式下, 電流損耗分別小于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時(shí)間的特性, 特別適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。大大簡化了射頻電路的設(shè)計(jì)。傳感器模塊采用集成溫濕度傳感器SHT10。電源模塊采用3V 紐扣電池。

                           
                                      圖4 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
 
　　SHT10 用于采集周圍環(huán)境中的溫度和濕度, 其工作電壓為2.4～5.5V, 測濕精度為±4.5%RH, 25℃時(shí)測溫精度為±0.5℃。采用SMD 貼片封裝, 與處理器的通信電路I2C通信協(xié)議。

2.4 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

　　節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)采用了TinyOS操作系統(tǒng)，TinyOS 是美國的伯克利大學(xué)開發(fā)的,專為嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)，是一款自由和開放源碼的操作系統(tǒng)和平臺, 它采用面向元件結(jié)構(gòu),確?？焖夙憫?yīng)和執(zhí)行,同時(shí)減小了代碼量,以適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格的存儲空間需要。它運(yùn)行在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上,是其他上層應(yīng)用和協(xié)議運(yùn)行的前提。其操作系統(tǒng)、庫和程序服務(wù)程序是用nesC 寫的。nesC 是一種開發(fā)組件式結(jié)構(gòu)程序、具有C 語法風(fēng)格的語言,其組件層次結(jié)構(gòu)就如同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,底層的組件負(fù)責(zé)接收和發(fā)送原始的數(shù)據(jù)位,而高層的組件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼,更高層的組件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)打包、路由和傳輸數(shù)據(jù)。組件用接口互相連接。TinyOS為普通的抽象描述提供了接口和組件，例如數(shù)據(jù)包通信，路由，感知，行為和儲存。

　　無線傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序采用nesC編寫，分為數(shù)據(jù)采集、電池能量檢測和無線通信這三個(gè)分別設(shè)計(jì)的模塊。無線路由節(jié)點(diǎn)和無線終端節(jié)點(diǎn)比無線終端節(jié)點(diǎn)多一個(gè)數(shù)據(jù)匯集和上傳的功能。

2.5 ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

　　在該系統(tǒng)中，需要實(shí)現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的互聯(lián)，把網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測的溫濕度數(shù)據(jù)需要發(fā)送到監(jiān)測中心主機(jī)進(jìn)行分析和顯示。ZigBee網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)該功能, 擔(dān)當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。ZigBee網(wǎng)關(guān)由下列部分組成: 內(nèi)部集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的射頻(RF) 收發(fā)器的CC2430無線單片機(jī); 采用ARM核的SamsungS3C44BOX微控制器; AX88796以太網(wǎng)控制器芯片等。

2.6 監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

　　作為一個(gè)完整的藥廠環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，除了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，運(yùn)行在計(jì)算機(jī)服務(wù)器上的上層管理軟件必不可少。本系統(tǒng)中，上層管理軟件采用三層C/S 模式，實(shí)時(shí)對傳感器網(wǎng)絡(luò)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成用戶最終關(guān)心的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，局域網(wǎng)內(nèi)的辦公用戶在經(jīng)過授權(quán)后，可以讀取監(jiān)控主機(jī)上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測。監(jiān)控應(yīng)用軟件還對傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤管理。對于監(jiān)控到異常情況，上層管理軟件使用聲光、短信、電話實(shí)時(shí)報(bào)警方式。可顯示參數(shù)列表、實(shí)時(shí)曲線圖（對應(yīng)具體數(shù)值并任意調(diào)整坐標(biāo)）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、折算數(shù)據(jù)、累計(jì)數(shù)據(jù)、歷史、報(bào)警畫面、報(bào)表等多種顯示、統(tǒng)計(jì)功能更加貼近用戶需求。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了檢驗(yàn)該溫濕度傳感器的性能, 將3個(gè)溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)置于RZ-80-E型高精度的溫濕度試驗(yàn)箱中, 試驗(yàn)箱的溫度控制精 ±0.3℃，濕度控制精度 ± 2.5% R.H。將測量的標(biāo)準(zhǔn)值與控制主機(jī)采集的測量值相比較, 從測量數(shù)據(jù)可以看出, 測量誤差較小, 滿足使用要求。測量值與實(shí)際值之間的誤差主要是傳感器自身測量誤差, 網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中幾乎不會引人誤差。