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1、引言 藥廠環境條件中的溫度和濕度指標是其重要參數, 研制可靠且實用的溫濕度監測系統顯得非常重要。通常, 采用有線網絡實現溫濕度監測,具有布線麻煩、設備隨意移動性不強等缺點。隨著射頻技術、集成電路技術的發展, 無線通信功能的實現越來越容易, 數據傳輸速率也越來越快, 并且逐漸達到可以與有線網絡相媲美的水平。無線傳感器網絡（wireless sensor network，WSN）是計算機、通信和傳感器3項技術相結合的產物，近年來得到了飛速發展，已成為計算機科學領域一個活躍的研究分支。而ZigBee是部署無線傳感器網絡的新技術, 已于2004年底推出。ZigBee技術是一種應用于短距離范圍內，低傳輸數據速率下的各種電子設備之間的無線通信技術。ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發現的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通訊技術的名稱。ZigBee過去又稱為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術，目前統一稱為ZigBee技術。ZigBee技術則致力于提供一種廉價的固定、便攜或者移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術。這種無線通信技術具有如下特點：決定它將是無線傳感器網絡的最好選擇。1)功耗低；2）數據傳輸可靠；3）網絡容量大；4）兼容性；5）安全性；6）實現成本低；7）自動動態組網、自主路由。 本文以Zigbee技術開發了一套符合GMP藥廠要求的環境溫度/濕度監測系統，該系統符合美國食品與藥物管理局FDA Part 11標準。系統能對大面積的多點的溫度/濕度進行監測，并將數據傳輸到PC機上進行數據存儲與分析，并輸出打印曲線，在設備異常情況下還以多種形式的報警通知相應人員。同時系統具有強大的分級管理功能，為不同階層的用戶管理提供了一個多級的管理、監控平臺。 2、系統設計 2.1 ZigBee協議框架及其網絡拓撲結構 ZigBee協議是一種低成本、低功耗、低速率嵌入式設備互相間及與外界網絡通信的組網解決方案，它是ZigBee聯盟基于IEEE 802.15.4技術標準物理層和媒體訪問控制層(MAC層)協議對網絡層協議和API進行標準化而制定的無線局域網組網、安全和應用軟件方面的技術標準。ZigBee協議棧結構如圖1所示。 圖1 ZigBee協議框架 在標準規范的制訂方面，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個組織，兩者分別制訂硬件與軟件標準。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，負責制訂MAC與PHY（物理層）規范，在2003年5月通過802.15.4標準； ZigBee建立在802.15.4標準之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應用綱要。802.15.4僅僅定義了實體層和介質訪問層，并不足以保證不同的設備之間可以對話，于是便有了ZigBee聯盟。 在網絡層方面，ZigBee聯盟制訂可以采用星形和網狀拓撲，也允許兩者的組合，稱為叢集樹狀。根據節點的不同角色，可分為全功能設備（Full-Function Device；FFD）與精簡功能設備（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的節點具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數據交換，而RFD則只能傳送數據給FFD或從FFD接收數據。 ZigBee協議套件緊湊且簡單，具體實現的硬件需求很低，8位微處理器80c51即可滿足要求，全功能協議軟件需要32K字節的ROM，最小功能協議軟件需求大約4K字節的ROM。 圖2 ZigBee無線網絡的拓撲結構 2.2 系統整體結構 系統整體結構按照叢集樹狀拓撲結構來組織，如下圖3所示，由若干FFD、RFD，一個網關節點以及監控終端組成。 圖3 系統整體結構示意圖 2.3 無線傳感器節點硬件設計 無線傳感器網絡的節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成。節點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是一個真正的系統芯片( SoC) , 它包括了一個高性能的2.4GHz DSSS( 直接序列擴頻) 射頻收發器和高性能、低功耗的8051微控制器核。CC2430芯片采用0.18 um CMOS工藝生產, 工作時的電流損耗為27 mA; 在接收和發射模式下, 電流損耗分別小于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性, 特別適合無線傳感器網絡的應用。大大簡化了射頻電路的設計。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 節點硬件設計 SHT10 用于采集周圍環境中的溫度和濕度, 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通信協議。 2.4 節點軟件設計 節點軟件設計采用了TinyOS操作系統，TinyOS 是美國的伯克利大學開發的,專為嵌入式無線傳感器網絡而設計，是一款自由和開放源碼的操作系統和平臺, 它采用面向元件結構,確保快速響應和執行,同時減小了代碼量,以適應無線傳感器網絡嚴格的存儲空間需要。它運行在每個網絡節點上,是其他上層應用和協議運行的前提。其操作系統、庫和程序服務程序是用nesC 寫的。nesC 是一種開發組件式結構程序、具有C 語法風格的語言,其組件層次結構就如同一個網絡協議棧,底層的組件負責接收和發送原始的數據位,而高層的組件對這些數據進行編碼、解碼,更高層的組件負責數據打包、路由和傳輸數據。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，例如數據包通信，路由，感知，行為和儲存。 無線傳感器節點的應用程序采用nesC編寫，分為數據采集、電池能量檢測和無線通信這三個分別設計的模塊。無線路由節點和無線終端節點比無線終端節點多一個數據匯集和上傳的功能。 2.5 ZigBee網關設計 在該系統中，需要實現ZigBee無線傳感器網絡與以太網的互聯，把網絡中監測的溫濕度數據需要發送到監測中心主機進行分析和顯示。ZigBee網關實現該功能, 擔當ZigBee網絡和以太網的協議轉換。ZigBee網關由下列部分組成: 內部集成符合IEEE 802.15.4標準的2.4GHz的射頻(RF) 收發器的CC2430無線單片機; 采用ARM核的SamsungS3C44BOX微控制器; AX88796以太網控制器芯片等。 2.6 監控終端軟件設計 作為一個完整的藥廠環境監控系統，除了無線傳感器網絡技術研究，運行在計算機服務器上的上層管理軟件必不可少。本系統中，上層管理軟件采用三層C/S 模式，實時對傳感器網絡送來的數據進行處理，形成用戶最終關心的數據表現形式，局域網內的辦公用戶在經過授權后，可以讀取監控主機上的實時數據，實現遠程的監測。監控應用軟件還對傳感器網絡中的每個節點進行跟蹤管理。對于監控到異常情況，上層管理軟件使用聲光、短信、電話實時報警方式。可顯示參數列表、實時曲線圖（對應具體數值并任意調整坐標）、實時數據、折算數據、累計數據、歷史、報警畫面、報表等多種顯示、統計功能更加貼近用戶需求。 3、實驗結果 為了檢驗該溫濕度傳感器的性能, 將3個溫濕度傳感器節點置于RZ-80-E型高精度的溫濕度試驗箱中, 試驗箱的溫度控制精 ±0.3℃，濕度控制精度 ± 2.5% R.H。將測量的標準值與控制主機采集的測量值相比較, 從測量數據可以看出, 測量誤差較小, 滿足使用要求。測量值與實際值之間的誤差主要是傳感器自身測量誤差, 網絡傳輸過程中幾乎不會引人誤差。 |
