ZigBee技術(shù)的樹簇網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 介紹一種基于ZigBee協(xié)議棧Z－Stack的倉(cāng)庫(kù)無線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)解決方案；應(yīng)用首款支持ZigBee協(xié)議的單芯片 CC2430及多種傳感器實(shí)現(xiàn)了硬件平臺(tái)。分析Z－stack NWK層工作原理，完成了多跳路由樹簇網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，并實(shí)際應(yīng)用于某煙草倉(cāng)庫(kù)。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)具有較好的通用性、網(wǎng)絡(luò)魯棒性，很容易在工業(yè)控制監(jiān)控、樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
關(guān)鍵詞 ZigBee Z-Stack 樹簇拓?fù)?CC2430 監(jiān)控系統(tǒng)

引 言
倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控系統(tǒng)是倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)化管理的重要組成部分。監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)大面積范圍多部位地區(qū)實(shí)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控，并對(duì)得到的信息進(jìn)行及時(shí)處理，以保證物資安全儲(chǔ)存。傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在因采用有線連接方式而導(dǎo)致的可靠性差、易受損、布線麻煩等問題。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的出現(xiàn)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(shù)無疑成為目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的首選技術(shù)之一。
自2004年ZigBee聯(lián)盟正式發(fā)布ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以來，許多公司廠商陸續(xù)推出了自己的芯片產(chǎn)品和開發(fā)系統(tǒng)，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(duì)ZigBee技術(shù)的研究與應(yīng)用也幾乎是基于以上的芯片。
本文在Z-Stack基礎(chǔ)上，成功組建了一個(gè)樹簇拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。在該網(wǎng)絡(luò)中，子節(jié)點(diǎn)將傳感器采集的4類數(shù)據(jù)以多跳的方式發(fā)往sink節(jié)點(diǎn)，在父節(jié)點(diǎn)失效的情況下，子節(jié)點(diǎn)能夠找到其他數(shù)據(jù)路徑，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

1 總體方案架構(gòu)
1．1 系統(tǒng)需求分析
倉(cāng)庫(kù)為長(zhǎng)方形，面積600 m2，所存儲(chǔ)物資是煙草，屬于貴重物品，所以設(shè)計(jì)的系統(tǒng)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(biāo)。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(bào)警。庫(kù)房物資屬于易燃物品，而且非常密集，如果火災(zāi)發(fā)現(xiàn)晚會(huì)增加滅火困難，造成重大經(jīng)濟(jì)損失；對(duì)其監(jiān)控有利于提前發(fā)現(xiàn)災(zāi)情，及時(shí)采取對(duì)策。
③溫濕度監(jiān)控。物資在倉(cāng)庫(kù)集中存儲(chǔ)，易受環(huán)境影響，對(duì)環(huán)境溫濕度的監(jiān)控可以避免因庫(kù)房溫濕度的變化而造成煙葉霉變或糙碎，達(dá)到提高煙葉自然醇化質(zhì)量和卷煙制成品的內(nèi)在品質(zhì)的目的。
④無線通信。采用電纜布線缺點(diǎn)明顯，易對(duì)系統(tǒng)造成不必要的干擾且存在火災(zāi)的隱患。
1．2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
無線通信中，在接收靈敏度一定的情況下，無線發(fā)射功率P和接收半徑R之間的關(guān)系是P正比于 R2～R5。在長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸情況下，能耗情況會(huì)十分嚴(yán)重，特別是對(duì)于能量有限的系統(tǒng)來說，會(huì)造成節(jié)點(diǎn)過早死亡，所以直接數(shù)據(jù)傳輸?shù)男切尉W(wǎng)絡(luò)不能滿足需要，只能采用具有多級(jí)中繼路由節(jié)點(diǎn)的樹簇網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為三種：終端設(shè)備、路由器、協(xié)調(diào)器。其中終端設(shè)備為RFD，其他兩種為FFD。RFD作為樹枝末位的節(jié)點(diǎn)，一次只能連接一個(gè)FFD設(shè)備。
因?yàn)闇囟葷穸刃盘?hào)不會(huì)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(fā)送數(shù)據(jù)后RFD節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)省能量；但是若探測(cè)到煙霧或者有人闖入，節(jié)點(diǎn)將以突發(fā)的方式傳送數(shù)據(jù)，以求數(shù)據(jù)達(dá)到監(jiān)控終端的延時(shí)最小。