基于無線傳感網絡的智能機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現

1、現有的機房監(jiān)控主要采用人工監(jiān)控和有線監(jiān)控兩種方法。傳統(tǒng)的人工檢測和控制方法費時費力;有線傳輸面臨著布線復雜、維護和更新升級困難,而無線傳感網絡技術的誕生給它帶來了一場全新的革命。文中提出了一種基于ZigBee無線網絡技術的智能機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計方案,通過對機房的濕度、溫度、光照、火警和水浸等幾個重要因素進行實時的智能化監(jiān)測和控制,同時還可以通過手機短信通知管理者。文中重點介紹了基于ZStack的應用程序開發(fā),實現了對機房內多種信息的遠程監(jiān)測、處理和控制。1 ZigBee無線網絡技術ZigBee網絡支持星狀、網狀和樹狀三種自組織無線網絡類型,其連接地址分為16位短地址和64位長地址,最多一個主

2、節(jié)點可管理254個子節(jié)點;同時主節(jié)點還可由上一層網絡節(jié)點管理,可組成多達65 000個節(jié)點的大網,一個區(qū)域可以有100個ZigBee網絡同時存在?；赯igBee技術的無線傳感器網絡是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng),具有低成本、低功耗、低速率、高可靠性等特點。2 系統(tǒng)總體設計2.1 系統(tǒng)結構以自動控制原理為理論基礎,應用傳感器與執(zhí)行器件構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器節(jié)點配有傳感器感知機房環(huán)境,控制節(jié)點配有執(zhí)行器件改善機房環(huán)境。傳感器節(jié)點與控制節(jié)點相互配合,共同為機房內機器運行提供適宜的環(huán)境。本系統(tǒng)由無線傳感器網絡、網關和主控中心組成。無線傳感器網絡是物聯網的神經末梢,負責感知

3、環(huán)境的變化,并將數據通過網關傳輸到互聯網。系統(tǒng)結構如圖1所示。2.2 網關系統(tǒng)結構網關是互聯網與無線傳感器網絡之間的數據通訊橋梁。本方案提供了3種網關接入方式:本地訪問、手機訪問和互聯網訪問。網關系統(tǒng)結構如圖2所示。 2.3 傳感器網絡結構ZigBee網絡存在3種邏輯設備類型,即協調器、路由器、終端設備,并且在一個ZigBee網絡中有且只有一個協調器。當協調器被激活后,它就會建立一個自己的網絡。本方案采用的是星型網絡,在星型網絡結構中只有一個唯一的PAN主協調器,通過選擇一個PAN標識符確保網絡的唯一性。路由或終端都可以加入到這個網絡中來。3 硬件設計本系統(tǒng)硬件主要包括3部分,其中無線傳感器網

4、絡核心是基于TI公司的CC2430開發(fā)的無線模塊;網關是基于ARM微處理器的嵌入式平臺;主控中心是PC機。3.1 ZigBee協調器節(jié)點硬件設計ZigBee協調器節(jié)點主要由無線收發(fā)器CC2430、射頻天線RF、電源模塊、晶振模塊、串口模塊和LED指示燈組成,功能模塊如圖3所示。RF的輸入/輸出是高阻和差動的,用于RF 口最合適的差動負載是(115+180 。當使用不平衡天線時為了優(yōu)化性能,應當使用不平衡變壓器。由于CC2430的工作電壓為3.3 V,所以要用電壓轉換模塊把5 V降到3.3 V。CC2430可以同時接32 MHz和32.768 kHz的兩種頻率的晶振電路,以滿足不同的要求。串口模

5、塊用于ZigBee協調器將無線接收的數據信息傳送給網關,同時接收網關傳送過來的控制命令。LED指示燈用于顯示網絡連接狀態(tài)。 3.2 傳感器節(jié)點硬件設計無線傳感器節(jié)點由各種數據采集模塊、CC2430數據傳輸模塊、電源模塊和外部數據存儲等功能模塊組成,功能模塊如圖4所示。數據采集模塊負責采集監(jiān)測區(qū)域的溫度、濕度、光照強度、火警和水浸等信息并完成數據轉換;CC2430數據傳輸模塊負責與路由節(jié)點進行無線數據交換、傳輸采集數據、接收控制命令。外部數據存儲模塊用來保存?zhèn)鞲衅鞴?jié)點采集的數據。電源管理模塊采用兩節(jié)5號干電池。LED指示燈顯示加入或退出網絡的狀態(tài)。 路由器節(jié)點的主要任務是將不同區(qū)域的數據從傳感器

6、節(jié)點路由到協調器節(jié)點,因此電路比較簡單,不再贅述。4 軟件設計本系統(tǒng)采用的開發(fā)環(huán)境是IAR7,系統(tǒng)軟件是基于TI公司的Z-Stack 2006協議棧開發(fā)。從系統(tǒng)結構中可以看出本系統(tǒng)軟件設計包括3大部分:無線傳感器網絡基于Z-Stack的應用程序開發(fā);網關基于Qt的應用程序開發(fā);主控中心Web應用程序開發(fā),本文著重實現基于Z-Stack 的應用程序開發(fā)。4.1 ZigBee協議棧ZigBee協議棧由一組子層構成,每一層向它的上層提供數據和管理服務,分別為物理層(PHY、媒體訪問控制層(MAC、網絡層(NWK和應用層(ADL,應用層又分為:應用支持子層(APS、ZigBee設備對象(ZDO和由制造

7、商制定的應用對象。其中PHY和MAC位于最低層,且與硬件相關;除此之外的其他層建立在PHY和MAC層之上,并且完全與硬件無關。分層的結構脈絡清晰、一目了然,給設計和調試帶來極大的方便。 實際開發(fā)中根據需要將協議棧的層次又做了細化,Z-Stack軟件的總體架構如圖5所示。Z-Stack中的硬件抽象層HAL提供各種硬件模塊的驅動,基于HAL之上是操作系統(tǒng)抽象層OSAL,OSAL實現了一個易用的操作系統(tǒng)平臺,以實現多任務為核心的系統(tǒng)資源管理機制。Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構建,采用事件輪循機制,當各個層初始化完成后,系統(tǒng)將會進入低功耗模式,當有事件發(fā)生時,系統(tǒng)立刻被喚醒,并轉而進入中斷處理事

8、件,處理完成后再次進入低功耗模式,減少功耗。OSAL把優(yōu)先級放在了最重要的地位。當在處理的任務中有兩個以上事件待處理,處理完一件后,也要去查詢優(yōu)先級更高的任務。賦予優(yōu)先級高的任務最大的權利,盡可能保證高優(yōu)先級任務的每一個事件都能得到最及時的處理。操作系統(tǒng)任務調度流程如圖6所示。 開發(fā)所用協議棧目錄結構如圖7所示。主要用到的文件有:ZMain/ZMian.c、Tools/ f8wConfig.cfg、App/OSAL_SampleApp.c和App /SampleApp.c。其中ZigBee協議棧的main函數在ZMain.c中,總體上來說它一共做了兩件事,一個是系統(tǒng)初始化,即由啟動代碼來初始化

9、硬件系統(tǒng)和軟件架構需要的各個模塊;一個是執(zhí)行操作系統(tǒng)實體。fSwConfig.cfg為網絡配置文件。App/OSAL_SampleApp.c為操作系統(tǒng)任務初始化和添加文件。App/SampleApp.c為應用程序核心文件。整個Z-stack的主要工作流程大致分為:系統(tǒng)啟動,驅動初始化,OSAL初始化和啟動,進入任務輪循幾個階段。 4.2 無線傳感網軟件平臺搭建操作系統(tǒng)是通過調度各項任務來使整個系統(tǒng)協調的運作起來的。對不同類型設備的處理作為一個任務,把新建的任務添加到系統(tǒng)中,操作系統(tǒng)便會把新任務與協議棧融合到一起,使系統(tǒng)具備新的功能,即完成了無線傳感器網絡軟件平臺的搭建。1建立任務:任務初始化函

10、數的建立任務初始化函數要做兩件事,首先是為任務獲取系統(tǒng)分配的任務ID,最后是初始化運行任務所需的硬件資源及變量。任務初始化函數的格式為:XXX_Init(unsigned char task_idXXX_TaskID=task_id;初始化任務運行所需的硬件資源及變量。其中“XXX”表示任務的名稱?！癤XX_TaskID”是用戶自己定義的變量,用于存儲任務的ID 號。2建立任務:任務事件處理函數的建立對模塊的各種外部變化操作系統(tǒng)以事件的方式來處理,不同的宏定義代表不同事件,比如: KEY_CHANGE為按鍵事件;ZD0_STATE_CHANGE為網絡狀態(tài)變化事件;AF_INCOMING_MSG

11、 CMD表示接收到其他節(jié)點發(fā)送來的數據,該事件為無線處理的重要事件。任務事件處理函數原型為:uint16 Sample_ProcessEvent(uint8 task_id,uint16 events;形參task_id為任務ID號,events為事件代號。3添加任務所有的任務添加都是在應用層App/OSAL_SampleApp.c中通過osalTaskAdd(函數添加一個OSAL任務,函數原型為:void osalTask Add(const pTaskInitFn pfninit,const pTaskEventHandlerFn pfnEventProcessor,const byte

12、taskPriority參數1:pfnInit(指向任務初始化函數的指針;參數2:pfnEventProcessor(指向任務事件處理函數的指針;參數3:taskPrioritv(任務優(yōu)先級。4.3 ZigBee網絡通訊設置與組網在Tools/f8wConfig.cfg配置文件中定義了工程相關的網絡通訊設置。其中比較重要的是ZigBee通信相關的信道通道的設置和PAN ID的設置。用戶可以通過更改該文件中的相關宏定義,來控制ZigBee網絡的通道和PAN ID,以此來解決多個ZigBee網絡的沖突問題。信道是數據在物理層傳輸時使用的通道:PIN ID為ZigBee網絡的標識符,用來區(qū)別不同的網

13、絡。除此之外在啟動網絡前還需要修改模塊的物理地址。在ZigBee網絡中,無論是協調器還是路由器或終端節(jié)點,每個模塊都有自己唯一的64位物理地址。物理地址的修改有兩種方式,一種是通過Zmain/Zmain.c中的zmain_ext_addr(函數設置;另一種是使用Chipeon Flash Programmer軟件。默認地址0xff ff ff ff ff ff ff ff為無效的,除此之外都是有效的,且保證在網絡中的唯一性即可。1協調器格式化網絡協調器將掃描DEFAULT_CHANLIST指定的通道,最后在其中之一上形成網絡。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID被定義為0xFFFF,那么

14、協調器將根據自身的IEEE地址建立一個隨機的PAN ID。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID沒有被定義為0xFFFF,那么協調器建立網絡的PAN ID將由ZDAPP_CONFIG _PAN_ID指定,通常這個值介于00x3FFF。2路由器和終端設備加入網絡路由器和終端設備啟動后,將掃描DEFAULT_CHANLIST指定的頻道。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID沒有被定義為0xFFFF,則路由器或終端將強制加入ZDAPP_CONFIG_PAN_ID定義的網絡。反之隨機加入網絡。4.4 數據傳輸系統(tǒng)中涉及的數據傳輸方式有兩種： 無線收發(fā)和串口收發(fā)。 其中節(jié)點向協調器發(fā)送采集信息、

15、 協調器向控制節(jié)點發(fā)送控制信息是通過無線收發(fā)實現的； 協調器將采集信息傳送給網關、 網 關向協調器發(fā)送控制命令是通過串口收發(fā)實現的。 441 無線數據收發(fā) 1無線發(fā)送 系統(tǒng)中采用短地址方式發(fā)送數據，數據以幀格式傳輸。在發(fā)送前按照協議規(guī)定 的幀形式構建數據幀， 然后調用無線發(fā)送函數。 函數原型為： uint8 SendData(uint8*buf， uint16 addr，uint8 Leng；buf 為發(fā)送數據指針；addr 為目的地址；Leng 發(fā)送數據長度。 2無線接收 對于無線接收并沒有像發(fā)送一樣單獨的處理函數，而是在任務處理函數中通過 處理無線接收數據事件來完成處理的，具體函數如下： 其中 AF_INCOMING_MSG_CMD 為無線接收事件宏定義，SampleApp_MessageMSGCB( 函數則為具體接收事件的處理函數。 442 串口數據收發(fā) 系統(tǒng)中所用的串口為無線芯片 CC2430自帶資源，通過自定義串口收發(fā)函數來使用該資源， 從而實現網關與協調器節(jié)點數據傳輸。 串口發(fā)送函數原型為： void UartTX_Send_String(char*Data，int len； 串口接收函數原型為： char UartRX_Receive_Ch