基于ZigBee通信技术的仓储监测管理系统的设计与开发

陈震东

【摘  要】 ZigBee是一种短距离、高效率、低功耗的无线通信技术，它采用IEEE802.15.4标准，与蓝牙类似，但主要针对无线传感器网络，因此可用于物联网、家庭自动化、工业控制、醫疗监测等领域，文章设计开发一种基于ZigBee的仓储监测系统，分析设计系统的整体框架，并对每个具体组成模块进行分析和设计。该系统核心是利用ZigBee无线传感网络技术，实现了对仓库温湿度、火焰、烟雾等一系列环境参数的实时监测和数据采集。同时，该系统还具有远程控制功能，可以通过上机位手机APP端软件实时监测仓库环境并且查看历史数据。

【关键词】 ZigBee；通信技术；仓储监测管理系统

ZigBee技术是研究人员从蜜蜂在飞行中对障碍物方位和距离的准确判断中得到启发，从而研究出的一种新型的无线通讯技术。2001年ZigBee联盟建立，随后各大公司联盟加入，共同合作研发出ZigBee无线传感器网络通讯标准，让ZigBee得到了更为广泛的运用。在我国，ZigBee网络的应用范围非常广泛。

随着物流行业的发展，对仓储监测系统的需求也逐步加大。对仓库环境而言，需要监测的范围较大，同时还要求设备有一定的抗干扰性。ZigBee的有效覆盖范围最大是75米，远超蓝牙和WiFi。在相同的环境中，ZigBee抗干扰性也远优于蓝牙和WiFi，并且工作功耗远小于WiFi和蓝牙的工作功耗。该系统具有低功耗、高可靠性、易部署等优点，可以广泛应用于仓储物流、冷链物流等领域。实验结果表明，该系统可以有效地监测和控制仓库环境，提高仓储物流的安全性和效率。

一、ZigBee组网流程

（一）组建完整的ZigBee网络

1. 将协调器设置为启动状态，连接协调器到电源并预装有ZigBee协议栈的无线芯片。在协调器上执行初始化操作并将其设置为启动状态，以便开始连接其他ZigBee设备。2. 配置协调器的自身信息，例如短地址PAN ID（个人局域网标识），通道及其他配置参数。这些参数将为网络提供唯一的标识符和属性。3. 连接非协调器设备，将非协调器设备添加到网络中。在添加设备之前，需要对每个设备进行一些设置，包括设置设备类型，分配唯一地址，设置设备所在的PAN ID等信息。4. 建立设备之间的连接和网络拓扑，创建设备之间的连接和构建数据流动路径，可以根据需要设置不同的连接和路由方式，以满足不同的应用场景需要。

（二）在ZigBee网络中加入一个新节点

1. 新节点通过扫描周围的ZigBee信道获取ZigBee网络中的协调器和其他设备的信息。一旦找到适当的协调器，新节点将发送一个加入请求并进行对话。

2. 协调器接收到新节点的加入请求后，将分配给该节点一个唯一的地址。每个设备都有一个短地址和一个长地址，其中短地址是全网唯一的。

3. 新节点随后会接收到一个包含网络属性的信标帧，这些属性包括ZigBee网络的PAN ID、信道和其他属性。新节点将使用这些属性来适应网络。

4. 新节点将启动节点同步过程，并向协调器发送一些必要信息以确保网络拓扑的稳定性。协调器将此信息转发给其他设备，以便网络中所有设备都可以了解到新设备的存在。

5. 新节点完成上述步骤后，就可以开始将数据发送到网络中的其他设备。

需要注意的是，节点加入网络的成功与否取决于网络的设置和拓扑结构。如果网络中的设备数量过多，则对新设备的加入可能会产生负面影响。在实际应用中，应该根据需求和场景进行合理的设备数量和位置布置，以确保网络的良好运作。

二、系统硬件设计方案

（一）芯片选型分析

ZigBee芯片可以根据芯片的功耗、射频性能、功能集成度等方面进行分类，该系统采用的是CC2530芯片，主要原因在于其协议栈是部分开源的，选用该芯片的成本更低。

（二）节点功能分析

仓储监测指的是对仓库中存储的物品进行监测和管理，以确保物品的安全和完整。这种监测可以通过各种工具和技术来实现，如传感器、视频监控、条形码或RFID技术等。仓储监测可以帮助物流企业提高工作效率、降低运营成本，并提高客户满意度。为了存储物品在仓库中不被损坏，仓库环境应该和存储物品的最佳保存环境保持一致，常见的环境一般包括温度、湿度等等。此外一些常见安全隐患，例如火灾会对仓库造成的巨大损失，需要对仓库进行火灾监测以及烟雾监测。除了安全隐患，还需要防范人为因素（防盗），因此需要识别人员通过红外传感功能，来监测进出仓库的人员。基于以上种种原因选择的传感器如图1所示。

（三）传感器模块选型

在仓储监测系统中，传感器模块的主要作用是采集环境数据并且传输给终端节点，例如环境温度、湿度、有害气体等。

该系统传感器模块主要包括：对火焰的监测采用的是Risym火焰传感器；对烟雾的监测采用的是MQ-2烟雾传感器，MQ-2是一种可靠地检测空气中多种有害气体的气体传感器；采用DHT11传感器进行温湿度监测，传感器中内置一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件，保证其可靠性和稳定性。对光照监测采用的是光敏电阻传感器，一般用来检测探头周围光线的强度，可以通过DO输出数字信号1和0，或通过AO口输出模拟信号；对防盗监测采用的是人体红外传感器HC-SR501，其作为一种常用的人体红外感应模块，可以探测人体的热量，并输出高/低电平，用于智能家居的人体检测、安防等方面的应用；采用MQ-135空气质量监测传感器对空气质量进行监测，传感器的工作原理是利用化学吸附原理，在检测过程中，传感器将目标气体吸附在传感器表面的半导体氧化物层上，并在受光、加热的作用下，改变氧化物的电学性质，从而实现对气体的检测和测量，主要用于测量空气中甲醛、苯、二氧化碳、氨等有害气体的浓度。

（四）蜂鸣器模块选型

为了起到报警作用，该系统加入蜂鸣器模块。蜂鸣器模块采用的是有源蜂鸣器中的低电平触发类型，有源蜂鸣器是一种集成了驱动电路的蜂鸣器，通常由振荡器、驱动器和共振腔组成。

（五）继电器模块选型

继电器是一种电气控制装置，它可以用小电流控制大电流。继电器通过一个电磁线圈来控制开关，当电磁线圈激活时 ，它会引起开关的状态改变，从而控制电路中的电流流动。继电器可以放大电信号，通过电磁线圈激活开关来控制大电流的流动。当电流或电压超出某些特定的限制时，继电器可以断开或切换电路以保护。

（六）WiFi模块选型

终端节点采集到的数据传输给协调器之后，协调器需要通过WiFi模块将实时数据传输给上机位。WiFi模块采用的是ESP8266-01s。ESP8266具有Wi-Fi功能，可以通过串口通信和Wi-Fi实现机器与机器的互联互通；体积小、低功耗和成本便宜。ESP8266模块支持TCP/IP、UART、SPI、I2C等多种通信方式，支持轻松的连接WiFi网络和访问网络资源。使用ESP8266模块，可以将现有的智能设备升级成互联的，同时，也可以实现远程控制、数据监测等功能。

三、系统软件设计方案

（一）系统整体框架

图2为系统整体框架图，终端节点一负责采集火焰，烟雾，温湿度数据，终端节点二负责采集可燃气体，人体感应，光照数据等。终端节点将采集到的数据通过ZigBee協议传输给协调器，协调器通过ESP8266的透传模式来传输数据给上机位平台。

（二）系统硬件开发软件

IAR Embedded Workbench（以下简称为IAR）是一款完整的嵌入式开发环境，用于开发和调试嵌入式应用程序。该环境提供了编译器、调试器、链接器、库函数等工具，使开发人员可以在单个集成的环境中进行完整的开发工作。此外，IAR支持多种微处理器架构，如ARM、MSP430、RISC-V等。

（三）协调器节点模块设计

协调器作为中心节点，需要进行系统初始化，然后通过发送广播信号，邀请其他节点加入网络。当新节点收到邀请信号后，会向协调器发送加入网络的请求信息。协调器收到请求后，会分配网络地址，并将新节点加入网络。成功组建网络后，协调器会管理整个网络，包括节点加入、节点离开、网络拓扑结构的维护等。协调器可以向节点发送指令，控制其执行特定的任务，节点也可以反过来向协调器发送数据。

（四）终端节点模块设计

当ZigBee协调器组建好网络后，对终端数节点进行上电，终端节点便开始进行系统初始化。初始化完成后会开始扫描信道，并且向协调器发送入网请求。成功加入网络后，终端节点会将传感器采集到的数据周期性地发送给协调器。

（五）上机位模块设计

上机位模块是用Android Studio设计的，Android Studio是由谷歌开发的一个被设计用于Android应用程序的集成开发环境（IDE）。它基于IntelliJ IDEA ，可以为Android平台开发应用程序。

该IDE提供了丰富的功能，包括代码审查、调试支持、版本控制以及其他自动化功能。Android Studio还包括一个可视化布局编辑器，可以更快、更容易地创建Android应用程序的UI。上机位模块是整个系统交互的中心。上机位主要功能模块由用户管理、监测控制、历史记录构成。用户必须然后在登录界面填写正确账号密码，才能进入管理界面。

四、结语

文章主要分析设计了基于ZigBee的仓储监测系统的整体框架，接着详细分成几个具体模块进行分析设计，以使仓储监测管理系统达到适用性更强，应用更为广泛和稳定的目的。