ZigBee技術的樹簇網絡監控系統設計
摘要 介紹一種基于ZigBee協議棧Z-Stack的倉庫無線實時監控系統解決方案;應用首款支持ZigBee協議的單芯片 CC2430及多種傳感器實現了硬件平臺。分析Z-stack NWK層工作原理,完成了多跳路由樹簇網絡的組網實驗,并實際應用于某煙草倉庫。結果表明:所設計的監控系統具有較好的通用性、網絡魯棒性,很容易在工業控制監控、樓宇自動化領域推廣應用。
關鍵詞 ZigBee Z-Stack 樹簇拓撲 CC2430 監控系統
引 言
倉庫監控系統是倉庫自動化管理的重要組成部分。監控系統可對大面積范圍多部位地區實行實時有效的監控,并對得到的信息進行及時處理,以保證物資安全儲存。傳統監控系統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、微系統技術、通信技術和計算機技術的飛速發展,無線傳感器網絡(WSN)的出現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絡應用的首選技術之一。
自2004年ZigBee聯盟正式發布ZigBee技術標準以來,許多公司廠商陸續推出了自己的芯片產品和開發系統,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絡監控系統。在該網絡中,子節點將傳感器采集的4類數據以多跳的方式發往sink節點,在父節點失效的情況下,子節點能夠找到其他數據路徑,從而實現了數據的可靠傳輸。
1 總體方案架構
1.1 系統需求分析
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,如果火災發現晚會增加滅火困難,造成重大經濟損失;對其監控有利于提前發現災情,及時采取對策。
③溫濕度監控。物資在倉庫集中存儲,易受環境影響,對環境溫濕度的監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,易對系統造成不必要的干擾且存在火災的隱患。
1.2 系統方案設計
無線通信中,在接收靈敏度一定的情況下,無線發射功率P和接收半徑R之間的關系是P正比于 R2~R5。在長距離數據傳輸情況下,能耗情況會十分嚴重,特別是對于能量有限的系統來說,會造成節點過早死亡,所以直接數據傳輸的星形網絡不能滿足需要,只能采用具有多級中繼路由節點的樹簇網絡。系統總體結構示意圖如圖1所示。

網絡中的設備分為三種:終端設備、路由器、協調器。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。成功發送數據后RFD節點進入休眠狀態,以節省能量;但是若探測到煙霧或者有人闖入,節點將以突發的方式傳送數據,以求數據達到監控終端的延時最小。
2 節點硬件設計
由于節點的數量較大,為了方便生產,將FFD和RFD設備的主要區別放在軟件方面;而硬件部分除了協調器具有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協議的SoC解決方案,可用于各種ZigBee無線節點,包括協調器、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生時傳遞一個脈沖信號即可。此脈沖經過濾波限流后輸入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,靜態電流10 mA,檢測面積為10 m2左右。煙霧觸發輸出為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,靜態電流50 μA,感應角度110°,最大感應距離7 m。紅外觸發輸出3.3 V脈沖信號。
2.3 電源管理模塊
為保證傳感器采集數據的及時傳遞,減小終端在競爭信道過程中產生的碰撞造成能量的損耗,本系統中FFD設備采用不間斷供電(UPS)。即使在庫房掉電的情況下,FFD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,向開發人員提供了一系列的API。通過調用這些API,可以實現ZigBee標準中各層次的相應功能?;谶@些功能模塊,可以更便捷地開發出各種基于ZigBee協議的應用產品。圖3為Z-Stack結構。(注:Z-Stack協議棧核心的部分,包括安全模塊、路由模塊、Mesh 網絡支持等,都只以庫的方式提供。)

在終端設備嵌入式軟件中,操作系統模塊主要實現的是簡單的任務輪詢和工作調度的功能,同時還需實現節點硬件的初始化和功能配置。這個操作系統模塊不是真正意義上的操作系統,而是一個具有操作系統任務調度功能的模塊。該操作系統模塊在Z-Stack中由OSAL組件構成。操作系統模塊的任務調度具體方式是:首先,為需要實現的功能建立任務,且每一個任務有不同的事件。當操作系統運行時,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生,調用任務事件處理函數,并在任務處理函數中,根據標志位,判斷是什么事件發生。然后,系統做出對應的操作,最后將標志位清零。
3.2 樹簇拓撲的形成及路徑發現與維護
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現與維護。
Z-Stack總共默認65 000個設備入網。為保證網絡中每個節點的地址是唯一的,使用了分布式尋址方案,由父節點分配子節點地址。此種算法保證了控制端的數據包能夠精確地發送到指定設備,子節點也只能有一個父節點,有助于網絡的可測量性。在網絡初始化之前,有幾個參數需要配置,分別是MAX_DEPTH、MAX_ROUTERS 和MAX_CHILDREN[6]。
MAX_DEPTH決定了網絡的最大深度。協調器在最頂層,位于深度0;它的子節點位于深度1,依此類推。MAX_CHILDREN決定了一個路由器或者一個協調器可以處理的最大子節點個數。MAX_ROUTERS決定了一個路由器或者一個協調器可以連接的最大路由器的個數。這個參數是 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絡拓撲和節點地址分配示意圖。LAYER1最多20個節點,其中包含6個路由節點。

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