ZigBee无线多区域监测系统设计

韦 佳 何 磊 顾晓峰 朱兆旻

(轻工过程先进控制教育部重点实验室1，江苏 无锡 214122;江南大学物联网工程学院2，江苏 无锡 214122;中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所3，江苏 苏州 215123)

0 引言

随着我国经济的高速发展，与生产、生活密切相关的仓储物流业得到了长足的进步。现代化的仓储物流管理正面临着越来越高的信息化和智能化要求。货物出入库、库存管理和货物状态监测等过程会带来大量信息，这些信息通常与管理质量和效率紧密相关。应用于物品仓储流通过程的传统监测系统大多采用有线方式传输数据[1]，其布线和维护成本高，不适合大规模布网，且组网灵活性受到很大限制。为了高效合理地获取相关信息并进行处理，可借助于无线传感器网络[2]。

ZigBee技术是一种新兴的无线网络技术，工作在2.4 GHz(全球通用)频段上，传输速率为250 kbit/s。在ZigBee协议栈中，数据链路层和物理层采用IEEE 802.15.4协议，上层协议则由ZigBee联盟定义并进行标准化[3]。相比高成本、高能耗的 Bluetooth和WiFi，ZigBee技术具有组网灵活、功耗小和成本低等优点[4]，它能更好地满足仓储物流业的应用需求。

1 系统结构

ZigBee网络支持IEEE 802.15.4标准，并定义了全功能设备(full function device，FFD)和精简功能设备(reduced function device，RFD)这两种类型的物理设备。FFD节点具有路由功能，即可以和其他任何设备进行通信，并将RFD节点发来的数据传递到其他设备;RFD节点只能和FFD节点进行通信，经过FFD节点可以将信息传送出去。由于RFD节点功能简单，所以运行成本和能耗极低，适合大量部署和长时间使用，可以作为传感器网络终端进行数据采集。因此，系统采用了RFD节点作为传感器终端，FFD节点作为网络路由和网关。这样既增强了无线网络的灵活性，又可显著降低布网成本。

系统主要由子网关、基站、终端和服务器组成[5]，其结构如图1所示。终端是一个携带温湿度传感器的RFD节点，能够即时接入最近的基站，并定期上报温湿度信息。基站具有子网内唯一的网络地址，并且可以作为父节点为新加入的终端分配网络地址，并收回已加入其他基站的终端网络地址，还可用作转发终端的无线信号和定位终端的参考节点。子网关作为一个监测区域的协调器节点，具有组建和配置无线网络的功能，它同时通过TCP/IP接口与以太网中的服务器建立连接。服务器与每个子网关建立连接，存储并处理接收到的信息，并向指定的子网关发送配置指令，同时可供远程计算机访问。每个监测区域都有一个子网关，子网关对应有一个相互区别的网络ID号(PAN ID)。

图1 监测系统结构图Fig.1 Architecture of monitoring system

2 系统硬件设计

终端硬件主要由CC2430芯片、SHT10传感器和电源管理模块等一些外围电路组成[6]，其结构框图如图2所示。

图2 终端硬件结构框图Fig.2 Hardware structure of the terminal

CC2430是 TI公司推出的一款 SoC芯片，符合IEEE 802.15.4所定义的物理层和数据链路层标准，它整合了1个先进的高性能RF收发器、1个工业标准的增强型8051MCU、128 kB Flash存储器和8 kB RAM等，能以极低的成本构建ZigBee节点。SHT10传感器是瑞士Sensirion公司生产的一款数字温湿度集成传感器，具有能耗低、响应速度快、抗干扰能力强等优点。它由1个电容式聚合体测湿元件和1个能隙式测温元件组成，能与1个14位的A/D转换器和串行接口电路无缝接合。根据实际应用需求，终端与被检测物体绑定，并采用电池供电[7]。

与终端硬件结构相比，基站少接1个SHT10传感器。基站在协议的网络层中定义为FFD节点，采用固定外接电源。子网关为实现ZigBee网络与TCP/IP网络的融合，在基站硬件结构的基础上通过串行接口添加了1个NEPORT-L串口转以太网模块。该模块实现了RS-232接口与以太网接口的互通[8]，从而实现各个子网与服务器之间的通信。

3 系统软件设计

本系统的软件设计采用Chipcon公司提供的ZigBee 2006协议栈[9]。终端通过向基站发送无线信号上报采集到的温湿度信息[10]，信息包含了终端设备的64位MAC地址(出厂后始终不变)、终端父节点基站地址以及所在区域PAN ID和传感器采集到的温湿度值(温度取值精确到±1 K)。本系统中所有类型的数据帧以0x02开头，后2个字节Cluster ID标记数据帧的消息类型，规定终端上报的数据帧Cluster ID为0x0024。

当终端远离父节点基站而接近另一个基站时，终端会加入更近的基站，并重新获得网络地址。终端的基本软件结构如图3所示。

图3 终端软件结构示意图Fig.3 Software structure of the terminal

子网关将所在区域内各个基站信息汇总，通过TCP/IP连接发送到网络的服务器上。服务器接收到信息并存储，以待进一步处理。当一个终端持续一段时间没有上报信息，基站即判定终端已离开网络，随后将收回所分配的网络地址。

4 测试结果

对系统进行测试时，布置了3个相互隔绝的房间作为监测区域，在每个区域布置1个子网关和3个基站。子网关接入以太网，并在此环境下测试终端上报数据的可靠性。在不影响测试结果的前提下，测试系统使用微型计算机作为网络服务器，并选用1个终端进行测试。为防止PAN ID出现重复，将所有子网关放在同一区域内进行初始化并建立各自的ZigBee无线网络。布置完毕后，使终端依次进入这3个房间区域并上报监测数据，上报周期为1 min，服务器端通过TCP调试接收到的终端上报数据，并显示在PC机上。

分析测试数据可知，终端MAC地址为0x35008CC90E8C47C9，先后进入的房间为1号房间(0x1F19)、2号房间(0x287C)、3 号房间(0x287B)。终端首先到达1号房间的0x0001和0x287B基站附近;然后进入2号房间，先后到达了0x0001、0x287B、0x143E基站附近;最后进入3号房间，先后到达了0x0001和0x143E基站附近。在这3个房间所测得的温湿度为 0x1A(26℃)、0x44～0x45(68% ～69%RH)。更多测试表明，该系统的测试值与现场实际测量的数据吻合。

5 结束语

本文将传统的TCP/IP通信协议与新兴的ZigBee协议相融合[11]，提出了一种ZigBee多区域无线监测系统。系统兼具这两种通信协议的优点，即长距离且可靠的数据传输和低成本的灵活组网。对系统的软硬件进行了设计，并对实现的系统进行了多次测试，测试结果与实际情况符合，能满足即时数据采集和远距离数据传输的要求，有助于提高现代仓储物流管理的效率和自动化程度。

[1]祁广利，王文霞，姚刚，等.粮食仓储监测技术与系统设计[J].西北农业学报，2006，15(2)：167 －169，179.

[2]刘刚，周兴社，谷建华，等.自组织、自适应无线传感器网络理论研究[J].计算机应用研究，2005(5)：30 －33.

[3]ZigBee Alliance Incorporation.ZigBee Specification：Document 053474r17[EB/OL].[2006 － 12 － 01].http：//www.armsky.net/UpFiles/DownLoad/DownUrl/200804/ZigBee-2006 协议规范.rar.

[4]杨惠.无线传感器网络技术的研究与应用[J].自动化与仪器仪表，2010(3)：89 －91.

[5]张大踪，杨涛，魏东海.一种低功耗无线传感器网络节点的设计[J].仪表技术与传感器，2006(10)：19 －23.

[6]夏恒星，马维华.基于CC2430的无线传感器网络节点设计[J].电子技术应用，2007(5)：45 －47，54.

[7]任小洪，方刚，贺映光，等.ZigBee远距离射频识别系统设计与实现[J].自动化仪表，2011，32(3)：8 －11.

[8]高福祥，曹杰，崔秀丽，等.嵌入式RS232/Internet网关的设计与实现[J].仪器仪表学报，2006，27(6)：2483 －2484.

[9]朱斌，谭勇，黄江波.基于ZigBee无线定位技术的安全监测系统设计[J].计算机测量与控制，2010，18(6)：1247 －1249，1252.

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[11]王建国，訾旭华，胡阳军.基于ZigBee技术的无线测控系统[J].仪表技术与传感器，2008(5)：42－44.