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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。總體分為核心單元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。基于這些功能模塊，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。
在網絡初始化過程中，協調器先將自身設置為一個簇標識符為0的簇頭，并向臨近的設備以廣播方式發送信標幀。接收到信標幀的設備(路由器或終端設備)向簇頭請求加入網絡，如果作為父節點的協調器允許該設備的加入，則將其作為子節點加入到它的鄰居表中，同時，請求加入的設備將協調器作為父節點加入到鄰居表中，成為從設備。已經加入網絡的路由器也廣播信標幀，以這種方式，直到所有設備都接入網絡。在接入網絡的同時，廣播信標幀的父節點會向接人的子節點分配唯一的 16位網絡短地址。圖5是網絡建立和節點入網流程。 終端設備沒有路由功能。它需要將數據發送給它的父節點，父節點以它自己的名義執行路由。當路由器從應用層或子節點收到單點發送數據包時，NWK層會將其傳遞到下層。如果目標節點是相鄰路由器中的一個，則數據包被直接發送；否則，路由器會檢索它的路由表中與所要傳送的數據包的目標地址相符合的記錄。如果存在與目標地址相符合的路由記錄，則數據包將被發往記錄中的下一級地址；如果沒有發現任何相關的路由記錄，則路由器發起路徑尋找，數據包存儲在緩沖區中直到路徑尋找結束。如果數據包沿著某條路由路徑傳送失敗，這個路徑就被認定是壞鏈，父節點將啟動路徑修復。節點發起重新發現直到下一次數據包到達該節點，標志路徑修復完成。如果不能夠啟動發現或者由于某種原因失敗了，節點則向數據包的源節點發送一個錯誤包(RERR)，它將重新啟動路徑發現。 3．3上位機GUI設計 在GUI中將節點編號和其IEEE地址綁定，實現了對突發事件地點的報警和定位。采用數據庫，分別將每個節點上傳數據寫入，同時貼上時間標簽。監控人員可以自由查看選定時段的倉庫任意地點的狀況，同時GUI將突發事件數據以列表方式單獨抽取出來，以供查閱方便。在工作時間可以將人體紅外傳感器采集的數據屏蔽，避免誤觸發。 4 運行及測試結果 4．1 節點性能測試 通信距離測試：CC2430芯片工作電壓為 3．3 V，射頻發送功率0 dBm，空曠地帶可靠傳輸距離30 m。功耗測試：CC2430射頻發射峰值功耗30 mA，接收峰值25 mA，休眠狀態 0．1μA；為了保證實時監控，傳感器得24小時工作，由此選擇了低功耗的傳感器。節點整機平均電流消耗17 mA。UPS功能測試：路由器接上 220 V市電，正常入網后拔掉電源插頭，節點不掉電，不重啟；工作一段時間再插上電源，節點無死機，不重啟，充電芯片給電池正常充電。表1為不同通信距離節點數據包丟包率比較。丟包率在2％以下時，認為數據可靠傳輸。
4．2 網絡測試 由于節點個體有差異，在實際布局時，FFD設備間隔15～20 m，終端設備按照8 m2一個的密度布置。設置2條路由路徑，每條路徑中繼節點4個，終端20個，在網絡拓撲穩定后，關閉LAYER1的一個路由節點，路由路徑中斷后， LAYER2及以下路由器的新路由路徑重新建立時間為26 s，斷路的所有節點全部重新入網的時間為134 s。網絡較快的自修復能力保證了網絡的魯棒性、系統的穩定性和監控的實時性，避免了多跳網絡中由于主要路由器故障導致大面積網絡癱瘓。 4．3 系統測試 節點正常工作時 120 s采集傳送一次溫度濕度信號，人體紅外傳感器和煙霧報警傳感器在觸發后，節點立即傳送信號。實驗中人體接近監控區域，監控GUI在3 s內發出報警信號，并且隨著人體移動，移動軌跡上的節點依次報警。煙霧信號測試也符合要求。 結語 本文重點介紹了硬件平臺的搭建和對Z-Stack的NWK層的分析與修改，完成了對樹簇拓撲網絡的組建。所設計的節點能夠正確采集多種傳感器信號，網絡也具有較好的穩定性和自愈能力。系統在人體紅外傳感器的配合下，可以對監控范圍內活動的人員實行跟蹤定位。該方案已經應用于某煙草倉庫的自動化管理項目中。 由于本設計中FFD設備與RFD設備射頻發送功率相同，通信距離較短，還不能顯著體現ZigBee樹簇多跳網絡優勢；給關鍵路由器添加射頻功放，拓展其通信距離，可在低功耗、大面積監控領域中大顯身手。 參考文獻 1. 杜吉宗 倉庫監控系統 1994(5) 2. 賈子熙.吳成東.張云洲.紀鵬 基于無線傳感器網絡的大型建筑災難救援系統 [期刊論文] -沈陽建筑大學學報（自然科學版）2007(2) 3. 蔣挺.趙成林 紫蜂技術及其應用 2006 5. 鄭軍奇 電子產品設計EMC風險評估 2008 6. ZStack-1.4.2-1.1.0 2009 作者：電子科技大學 馬駿 來源：《單片機與嵌入式系統應用》 2009（6） |
