Zigbee無線網絡在館藏圖書溫濕度監控系統中的應用
1 無(wu)(wu)線(xian)Zigbee網(wang)絡(luo) Zigbee是一種(zhong)新興的(de)(de)(de)短(duan)距離、低(di)復雜度(du)、低(di)功耗、低(di)數據(ju)速率(lv)、低(di)成(cheng)(cheng)本的(de)(de)(de)雙向(xiang)無(wu)(wu)線(xian)網(wang)絡(luo)通(tong)(tong)信技(ji)(ji)術(shu)(shu)，適(shi)合于自動控制和遠程(cheng)控制領(ling)域，可以(yi)嵌入各種(zhong)設備中，同時(shi)支持(chi)地理(li)(li)定位功能。它是一種(zhong)介(jie)于無(wu)(wu)線(xian)標記技(ji)(ji)術(shu)(shu)和藍牙技(ji)(ji)術(shu)(shu)之間的(de)(de)(de)技(ji)(ji)術(shu)(shu)方(fang)案，主要用于近距離無(wu)(wu)線(xian)連接，具(ju)有自己的(de)(de)(de)無(wu)(wu)線(xian)電(dian)標準，在數千個微小的(de)(de)(de)傳(chuan)感器之間互(hu)相協調實(shi)現通(tong)(tong)信。這些(xie)傳(chuan)感器只需要很(hen)少的(de)(de)(de)能量(liang)，以(yi)接力的(de)(de)(de)方(fang)式通(tong)(tong)過無(wu)(wu)線(xian)電(dian)波將數據(ju)從一個傳(chuan)感器傳(chuan)到另一個傳(chuan)感器，因此，其(qi)通(tong)(tong)信效率(lv)非常高。Zigbee技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)(de)(de)主要優點有：省電(dian)、可靠、成(cheng)(cheng)本低(di)、時(shi)延短(duan)、網(wang)絡(luo)容量(liang)大、安全。它工作于無(wu)(wu)需注冊的(de)(de)(de)2.4GHz ISM 頻段傳(chuan)輸(shu)速率(lv)10 M~250KB/S,傳(chuan)輸(shu)距離10~75m.完整的(de)(de)(de)Zigbee協議套件由(you)(you)高層(ceng)應(ying)用規范、應(ying)用會聚層(ceng)、網(wang)絡(luo)層(ceng)、數據(ju)鏈路層(ceng)和物(wu)理(li)(li)層(ceng)組(zu)成(cheng)(cheng)。網(wang)絡(luo)層(ceng)以(yi)上協議由(you)(you)Zigbee聯盟制定，IEEE802.15.4負責(ze)物(wu)理(li)(li)層(ceng)和鏈路層(ceng)標準。
如圖1 為(wei)Zigbee協(xie)議(yi)架構。Zigbee 是(shi)在(zai)IEEE802.15.4基(ji)礎上開(kai)發的應(ying)用(yong)于無線傳感器網絡上的通(tong)信協(xie)議(yi)。它屏蔽了IEEE 802.15.4協(xie)議(yi)層的一些復雜的細(xi)節問題，使開(kai)發人員(yuan)能夠在(zai)短時(shi)間內開(kai)發出產品。系統采用(yong)Zigbee協(xie)議(yi)進行(xing)設計開(kai)發。
CC2430的(de)Zigbee協(xie)議棧中定義(yi)了3種設備(bei)：節(jie)(jie)點(dian)（End device）、路由器（Router）和(he)(he)(he)協(xie)調器（Coordinator）。其中：Coordinator節(jie)(jie)點(dian)發起網絡(luo)，等待Enddevice或Router節(jie)(jie)點(dian)加(jia)入。Enddievice只能(neng)作為(wei)(wei)采集和(he)(he)(he)接受數(shu)據(ju)葉子節(jie)(jie)點(dian)加(jia)入網絡(luo)，不具備(bei)數(shu)據(ju)轉發的(de)能(neng)力。Router節(jie)(jie)點(dian)的(de)程(cheng)序基本功能(neng)和(he)(he)(he)Enddevice一樣，Router作為(wei)(wei)Router或Enddevice的(de)父(fu)節(jie)(jie)點(dian)，可以轉發數(shu)據(ju)。Zigbee協(xie)議支持的(de)網絡(luo)結(jie)構有(you)星狀(zhuang)、樹狀(zhuang)和(he)(he)(he)Mesh網絡(luo)結(jie)構。溫(wen)濕(shi)度(du)數(shu)據(ju)采集與控(kong)制采用的(de)是Router設備(bei)。與后臺(tai)計算機相連(lian)的(de)是Coordinator節(jie)(jie)點(dian)。
圖1 Zigbee協議(yi)棧架構
2 基于(yu)Zigbee的館藏圖(tu)書溫濕(shi)度監測系(xi)統的構(gou)成
檔(dang)案管的(de)檔(dang)案，圖(tu)(tu)書館(guan)的(de)藏書，溫(wen)濕(shi)度(du)(du)過高或過低都很容易引起損(sun)壞。正常(chang)的(de)保管溫(wen)度(du)(du)范(fan)(fan)圍(wei)為16~22℃，濕(shi)度(du)(du)為45%~55%RP.為此，研制了基于Zigbee的(de)圖(tu)(tu)書館(guan)溫(wen)濕(shi)度(du)(du)監控(kong)系統，使圖(tu)(tu)書館(guan)保持在一(yi)個恒(heng)定的(de)溫(wen)濕(shi)度(du)(du)范(fan)(fan)圍(wei)。
2.1 傳統(tong)館藏圖書溫濕度監測系統(tong)的構成
傳統的圖(tu)書館藏(zang)書溫濕度監(jian)控系(xi)統的構成如圖(tu)2所(suo)示。優點是傳輸(shu)距離較(jiao)(jiao)遠，可靠性較(jiao)(jiao)高；缺點是布線困難(nan)，增加(jia)節(jie)點軟硬件都需(xu)要重新(xin)設置。
圖2 傳統的圖書(shu)館藏(zang)書(shu)濕度(du)監(jian)控系統
2.2 由Zigbee無線(xian)傳感器組成館(guan)藏圖書溫濕(shi)度監測系(xi)統(tong)
館藏(zang)圖書(shu)溫(wen)濕度監(jian)控(kong)系統由溫(wen)濕度傳(chuan)感器、控(kong)制器、射頻(pin)(pin)發射器和(he)接收(shou)機(ji)組成。[FS:PAGE]溫(wen)濕度傳(chuan)感器采用SHT11系列產(chan)品，SHT11系列產(chan)品是一款高度集成的(de)溫(wen)濕度傳(chuan)感器芯片(pian)，提(ti)供全量程標定的(de)數(shu)字(zi)輸出，通過兩(liang)線制的(de)串行接口與(yu)(yu)內(nei)部的(de)電壓調(diao)整，使外圍系統集成變(bian)得快速而(er)簡單(dan)(dan)。微(wei)小體積、極低(di)功耗等優點(dian)使其(qi)成為各類(lei)應用中的(de)首選(xuan)。信號控(kong)制處理與(yu)(yu)發射接收(shou)單(dan)(dan)元采用chipcon 公司(si)生產(chan)的(de)2.4GHz射頻(pin)(pin)芯片(pian)CC2430,該芯片(pian)延用了CC2420芯片(pian)架(jia)構，在(zai)單(dan)(dan)個芯片(pian)上整合了Zigbee射頻(pin)(pin)（FR）前(qian)端(duan)、內(nei)存和(he)微(wei)控(kong)制器。它使用1 個8 位MCU（8051），具有128kB可編程閃存和(he)8kB的(de)RAM,并包含模擬數(shu)字(zi)轉換器、幾個定時器、AES128協同處理器、看門狗(gou)定時器、32kHz晶振的(de)休(xiu)眠模式定時器、上電復(fu)位電路、掉電檢(jian)測電路以及21個可編程I/O 引腳。
安裝在房(fang)間每一個點(dian)的溫(wen)(wen)濕(shi)傳感器將(jiang)房(fang)間里的溫(wen)(wen)濕(shi)度(du)信(xin)息經(jing)射頻發(fa)射器傳送到(dao)控(kong)(kong)制室的接收器模塊上，并顯(xian)示(shi)溫(wen)(wen)濕(shi)度(du)。能夠(gou)讓管理員(yuan)在控(kong)(kong)制室及(ji)時了解到(dao)各房(fang)間的溫(wen)(wen)濕(shi)度(du)情況及(ji)各控(kong)(kong)制器的運行狀態。由Zigbee無(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)傳感器組成(cheng)的監(jian)測(ce)網絡(luo)(luo)如圖3所示(shi)。以Zigbee為(wei)基礎的館藏圖書溫(wen)(wen)濕(shi)度(du)監(jian)測(ce)系統，不(bu)需要布線(xian)(xian)(xian)，網絡(luo)(luo)容量大(da)，可(ke)以管理更(geng)多的無(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)節點(dian)。網絡(luo)(luo)中的無(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)節點(dian)可(ke)分為(wei)無(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)節點(dian)和控(kong)(kong)制節點(dian)，當溫(wen)(wen)度(du)越限(xian)時，通(tong)過無(wu)(wu)線(xian)(xian)(xian)節點(dian)啟動空調(diao)和加濕(shi)或除濕(shi)設備(bei)來調(diao)節溫(wen)(wen)濕(shi)度(du)。
圖3 館藏圖書溫濕監(jian)控Zigbee無線(xian)監(jian)控系(xi)統
2.3 由(you)Zigbee無線傳感器構成館(guan)藏圖(tu)書(shu)溫濕監測無線網(wang)絡的硬件實現(xian)
館藏圖書(shu)Zigbee無線(xian)網(wang)(wang)絡是(shi)一個(ge)星狀(zhuang)網(wang)(wang)絡，系統(tong)(tong)中(zhong)有(you)網(wang)(wang)絡協(xie)調(diao)器(qi)(qi)(qi)和若干個(ge)無線(xian)測(ce)控(kong)節點(dian)。網(wang)(wang)絡協(xie)調(diao)器(qi)(qi)(qi)設立(li)在值(zhi)(zhi)班(ban)室或(huo)控(kong)制(zhi)(zhi)室內，負責建立(li)和管理網(wang)(wang)絡。并顯示(shi)當前網(wang)(wang)絡的(de)(de)狀(zhuang)況(kuang)。而(er)無線(xian)節點(dian)則(ze)分布于(yu)每個(ge)書(shu)庫中(zhong)，負責采集溫濕(shi)(shi)度值(zhi)(zhi)，并發送到(dao)(dao)網(wang)(wang)絡協(xie)調(diao)器(qi)(qi)(qi)，網(wang)(wang)絡協(xie)調(diao)器(qi)(qi)(qi)根(gen)據測(ce)量結果決定是(shi)否啟動(dong)無線(xian)控(kong)制(zhi)(zhi)節點(dian)。如果超越溫濕(shi)(shi)度允(yun)許值(zhi)(zhi)范圍，則(ze)啟動(dong)變頻調(diao)速控(kong)制(zhi)(zhi)空調(diao)或(huo)加(jia)濕(shi)(shi)（除濕(shi)(shi)）設備(bei)，實現(xian)對圖書(shu)館的(de)(de)自動(dong)和手(shou)動(dong)溫濕(shi)(shi)度調(diao)節。本溫濕(shi)(shi)度監控(kong)系統(tong)(tong)的(de)(de)基本原理是(shi)測(ce)量及消除偏差，利用控(kong)制(zhi)(zhi)理論中(zhong)PID（比(bi)例積分微分）控(kong)制(zhi)(zhi)。CC2430接(jie)收SHT11傳感器(qi)(qi)(qi)溫濕(shi)(shi)度數據（數字信號）進行PID 運算和輸(shu)出。電(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)(qi)驅動(dong)電(dian)(dian)(dian)路控(kong)制(zhi)(zhi)的(de)(de)設備(bei)如加(jia)熱、風扇、加(jia)濕(shi)(shi)器(qi)(qi)(qi)。利用單片機(ji)的(de)(de)I/O口(kou)作為控(kong)制(zhi)(zhi)端口(kou)，通過控(kong)制(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)磁繼電(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)(qi)達到(dao)(dao)對電(dian)(dian)(dian)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)。
2.3.1 網路(lu)協調(diao)器的(de)電路(lu)結構
以Zigbee發射接收、數據(ju)處理元(yuan)件CC2430為核心的圖書館Zigbee無(wu)線網絡協調器的電路結構如圖4所示。
圖4 網(wang)路協調器的電路結構
2.3.2 Zigbee無線節點
圖書館無線(xian)節(jie)(jie)點分別為測量節(jie)(jie)點和測量控制(zhi)節(jie)(jie)點，如圖5（a）、（b）所示。各書庫(ku)中(zhong)[FS:PAGE]傳感器(qi)測量出溫(wen)濕(shi)度值，送給網(wang)絡(luo)協調器(qi)，網(wang)絡(luo)協調器(qi)將(jiang)對(dui)測量進行(xing)分析(xi)，如果超越溫(wen)濕(shi)度允許值范(fan)圍，則通過網(wang)絡(luo)中(zhong)無線(xian)節(jie)(jie)點的控制(zhi)節(jie)(jie)點啟(qi)動(dong)變頻調速控制(zhi)空調或(huo)加(jia)濕(shi)機。
2.3.3 CC2430模塊
CC2430芯片以(yi)強(qiang)大的(de)(de)集成開發(fa)環境(jing)作為支(zhi)持，內部線路的(de)(de)交互式調(diao)試以(yi)遵從IDE的(de)(de)IAR工(gong)業標準為支(zhi)持，得到嵌入式機構很高的(de)(de)認可。它結合(he)Chipcon公司(si)全球(qiu)先(xian)進的(de)(de)Zigbee協議棧、工(gong)具(ju)包和參考設(she)計，展示了領先(xian)的(de)(de)Zigbee解(jie)決方案。其產品廣泛(fan)應用于汽車、工(gong)控系統和無(wu)線感應網絡(luo)等領域，同時也適(shi)用于Zigbee之外2.4GHz頻(pin)率的(de)(de)其他(ta)設(she)備。
1）CC2430芯片(pian)的主要特點：高(gao)性(xing)能和低功耗的8051微控制器核，集(ji)成(cheng)IEEE802.15.4標準的2.
4GHz的(de)(de)RF無線電收(shou)(shou)發機(ji)，優(you)良的(de)(de)無線接收(shou)(shou)靈敏(min)度和強大(da)的(de)(de)抗干擾性，集(ji)成了14位模數轉換的(de)(de)ADC,集(ji)成AES安全協(xie)處理器，帶有2個強大(da)的(de)(de)支持幾組協(xie)議(yi)的(de)(de)USART,以及1個符合IEEE 802.
15.4規范的MAC計(ji)時(shi)器(qi)、1個常規的16位計(ji)時(shi)器(qi)和2 個8 位計(ji)時(shi)器(qi)，強大和靈活的開發工具(ju)。
CC2430的Zigbee基本組成如(ru)圖6所示。
圖6 CC2430結構
2）典(dian)型應(ying)用電(dian)路。CC2430的典(dian)型應(ying)用電(dian)路如(ru)圖7所示。
3 館藏圖書溫濕監控無線網(wang)絡(luo)的軟(ruan)件設置(zhi)
館藏圖書無線(xian)測控(kong)網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)中(zhong)(zhong)的(de)(de)軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)主要包括(kuo)協(xie)(xie)議棧(zhan)軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)和(he)應(ying)用(yong)(yong)(yong)軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)。協(xie)(xie)議棧(zhan)軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)一(yi)(yi)般由(you)芯片或Zigbee集(ji)(ji)成(cheng)產商提(ti)供(gong)。系統基(ji)于Zigbee協(xie)(xie)議棧(zhan)進行開(kai)發(fa)(fa)，應(ying)用(yong)(yong)(yong)開(kai)發(fa)(fa)主要針對具體應(ying)用(yong)(yong)(yong)開(kai)發(fa)(fa)出系統應(ying)用(yong)(yong)(yong)層軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)程(cheng)(cheng)序。本(ben)應(ying)用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)編程(cheng)(cheng)主要分為(wei)網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)協(xie)(xie)調(diao)器(qi)(qi)應(ying)用(yong)(yong)(yong)軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)和(he)傳感器(qi)(qi)測控(kong)應(ying)用(yong)(yong)(yong)軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)。協(xie)(xie)調(diao)器(qi)(qi)負責管理網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)、匯聚數(shu)據(ju)(ju)和(he)提(ti)供(gong)與計算機管理軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)接(jie)(jie)口，傳感器(qi)(qi)測控(kong)數(shu)據(ju)(ju)通(tong)(tong)過網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)無線(xian)節(jie)(jie)(jie)點(dian)(dian)(dian)的(de)(de)控(kong)制節(jie)(jie)(jie)點(dian)(dian)(dian)控(kong)制是否啟動變頻(pin)調(diao)速控(kong)制空調(diao)或加濕機。本(ben)系統使用(yong)(yong)(yong)星(xing)(xing)形網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)實現(xian)通(tong)(tong)信，網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)配(pei)置(zhi)一(yi)(yi)個網(wang)(wang)關(guan)(guan)(guan)（協(xie)(xie)調(diao)器(qi)(qi)）和(he)多個傳感器(qi)(qi)節(jie)(jie)(jie)點(dian)(dian)(dian)，在(zai)星(xing)(xing)形網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)中(zhong)(zhong)所有的(de)(de)傳感器(qi)(qi)節(jie)(jie)(jie)點(dian)(dian)(dian)只與網(wang)(wang)關(guan)(guan)(guan)通(tong)(tong)信，為(wei)實現(xian)這(zhe)一(yi)(yi)功(gong)能，網(wang)(wang)關(guan)(guan)(guan)必須知道每個采集(ji)(ji)節(jie)(jie)(jie)點(dian)(dian)(dian)的(de)(de)網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)地(di)(di)(di)址(zhi)(zhi)，這(zhe)需要每個節(jie)(jie)(jie)點(dian)(dian)(dian)在(zai)加入網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)后把網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)地(di)(di)(di)址(zhi)(zhi)發(fa)(fa)送(song)給(gei)網(wang)(wang)關(guan)(guan)(guan)，網(wang)(wang)關(guan)(guan)(guan)收到網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)地(di)(di)(di)址(zhi)(zhi)后建立地(di)(di)(di)址(zhi)(zhi)表并(bing)存(cun)儲，以便(bian)用(yong)(yong)(yong)戶(hu)要求采集(ji)(ji)數(shu)據(ju)(ju)時依據(ju)(ju)地(di)(di)(di)址(zhi)(zhi)表來采集(ji)(ji)每個傳感器(qi)(qi)的(de)(de)數(shu)據(ju)(ju)。IEEE802.15.4MAC數(shu)據(ju)(ju)包最大長度(du)為(wei)127字節(jie)(jie)(jie)，每個數(shu)據(ju)(ju)都由(you)頭字節(jie)(jie)(jie)和(he)16CRC值組成(cheng)，在(zai)數(shu)據(ju)(ju)傳輸(shu)中(zhong)(zhong)使用(yong)(yong)(yong)應(ying)答數(shu)據(ju)(ju)傳輸(shu)機制，設置(zhi)ACK標志位為(wei)1的(de)(de)幀會被(bei)接(jie)(jie)收器(qi)(qi)應(ying)答，如(ru)果在(zai)一(yi)(yi)定(ding)期限(xian)內未收到應(ying)答，則(ze)證(zheng)明(ming)采集(ji)(ji)節(jie)(jie)(jie)點(dian)(dian)(dian)發(fa)(fa)生錯誤。由(you)CC2430元件(jian)(jian)(jian)為(wei)核(he)心(xin)組成(cheng)的(de)(de)Zigbee測控(kong)網(wang)(wang)絡(luo)(luo)(luo)的(de)(de)協(xie)(xie)調(diao)器(qi)(qi)和(he)控(kong)制節(jie)(jie)(jie)點(dian)(dian)(dian)的(de)(de)軟(ruan)件(jian)(jian)(jian)流(liu)程(cheng)(cheng)如(ru)圖8、圖9所示。
4 結束語
Zigbee是一種新興的近距離、低復雜(za)度、低功耗、低[FS:PAGE]數據速率、低成(cheng)本(ben)的無(wu)(wu)線網(wang)絡(luo)(luo)技術(shu)，它是一種介于無(wu)(wu)線標簽(qian)技術(shu)和藍牙(ya)之間(jian)的技術(shu)提案(an)。主要(yao)用(yong)(yong)于近距離無(wu)(wu)線連接(jie)。Zigbee技術(shu)彌補(bu)了低成(cheng)本(ben)、低功耗和低速率無(wu)(wu)線通信市場的空缺，其成(cheng)功的關鍵在于豐富而(er)便捷的應用(yong)(yong)，而(er)不(bu)是技術(shu)本(ben)身(shen)。Zigbee無(wu)(wu)線網(wang)絡(luo)(luo)成(cheng)本(ben)低，雙向全時的特點(dian)在館藏圖書(shu)溫濕度監測等(deng)方面(mian)得到廣泛(fan)的應用(yong)(yong)。