Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)在館藏圖書溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、第25卷第4期黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Vo l .25.42011年12月J o u r n a l o f H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y D e c .,2011Z i gb e e 無線網(wǎng)絡(luò)在館藏圖書溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用徐澤清(黑龍江工程學(xué)院電子工程系,黑龍江哈爾濱150050摘要:Z i g b e e 是一種能滿足低成本、低能耗無線通信技術(shù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),主要應(yīng)用于近距離無線連接、控制。介紹Z i g -b e e 技術(shù)的主要特點(diǎn),并通過Z i g b e e 傳感器無線網(wǎng)絡(luò)連接將館

2、藏圖書的溫濕度信息經(jīng)射頻發(fā)射器傳送到控制室的接收器模塊上,并顯示溫濕度。能夠讓管理員在控制室及時(shí)了解各房間的溫濕度情況及各控制器的運(yùn)行狀態(tài)。管理員能夠設(shè)置各無線節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書館的自動(dòng)和手動(dòng)溫濕度控制。關(guān)鍵詞:Z i gb e e ;I E E E 802.15.4;溫濕傳感器;系統(tǒng);無線網(wǎng)絡(luò)中圖分類號(hào):T N 98文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1671-4679(201104-0067-05A p p l i c a t i o n o f t h e Z i gb e e w i r e l e s s n e t w o r k i n t h ec o n t r o l t e m p e

3、 r a t u r e a nd h u m i d i t yo f c o l l e c t i o n b o o k s X U Z e -q i n g(D e p t .o f E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ,H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f T e c h n l n o g y ,H a r b i n 150050,C h i n a A b s t r a c t :Z i g b e e i s a w i r e l e s s c o m m u n i

4、 c a t i o n t e c h n o l o g y w i t h t h e c h a r a c t e r s o f l o w c o s t ,l o w c o n s u m p t i o n a n d e a s y o r g a n i z e d ,a n d i t u s u a l l y i s a p p l i e d i n t h e s h o r t -r a n g e w i r e l e s s c o n n e c t i v i t y a n d c o n t r o l .T h e t h e s i s h

5、 a s i n t r o d u c e d t h e c h a r a c t e r s o f t h e Z i g b e e t e c h n o l o g y ,t r a n s m i t t h e t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y i n f o r m a t i o n o f t h e c o l l e c t i o n b o o k s b y R F t r a n s m i t t e r t o t h e r e c e i v e r m o d u l e i n t h e

6、c o n t r o l r o o m t h r o u g h Z i g b e e w i r e -l e s s s e n s o r n e t w o r k s ,a n d d i s p l a y t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y .A d m i n i s t r a t o r s i n t h e c o n t r o l r o o m c a n r e -c e i v e s t h e i n f o r m a t i o n o f t h e r o o m t e m p e r

7、a t u r e a n d h u m i d i t y a n d t h e s i t u a t i o n o f t h e c o n t r o l l e r 's o p e r a t i o n .A d m i n i s t r a t i v e p e r s o n i s a b l e t o s e t u p t h e a u t o m a t i o n a n d w a r m h a n d m o v e m e n t h u m i d i t y u n d e r t h e c o n -t r o l o f t

8、 h a t e v e r y w i r e l e s s n o d e r e a l i z e s t o t h e l i b r a r y .K e y w o r d s :Z i g b e e ;I E E E 802.15.4;t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y s e n s o r ;s y s t e m ;w i r e l e s s n e t w o r k 收稿日期:2011-03-07基金項(xiàng)目:黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目(11511326作者簡(jiǎn)介:徐澤清(1964-,男,副教授,研究方向

9、:電子技術(shù)應(yīng)用.1無線Z i gb e e 網(wǎng)絡(luò)Z i gb e e 是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備中,同時(shí)支持地理定位功能。它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)方案,主要用于近距離無線連接,具有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間互相協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器,因此,其通信效率非常高。Z i g b e e 技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)有:省電、可靠、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全。它工作于無需注冊(cè)的2.4G H z I

10、S M 頻段傳輸速率10M 250K B /S ,傳輸距離1075m 。完整的Z i gb e e 協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由Z i g b e e 聯(lián)盟制定,I E E E 802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。如圖1為Z i g b e e 協(xié)議架構(gòu)。Z i g b e e 是在I E E E 802.15.4基礎(chǔ)上開發(fā)的應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的通信協(xié)議。它屏蔽了I E E E 802.15.4協(xié)議層的一些復(fù)雜的細(xì)節(jié)問題,使開發(fā)人員能夠在短時(shí)間內(nèi)開發(fā)出產(chǎn)品。系統(tǒng)采用Z i g b e e 協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。C C 2430的Z i

11、 g b e e 協(xié)議棧中定義了3種設(shè)備:節(jié)點(diǎn)(E n d d e v ic e 、路由器(R o u t e r 和協(xié)調(diào)器(C o o rd i n a -t o r 。其中:C o o r d i n a t o r 節(jié)點(diǎn)發(fā)起網(wǎng)絡(luò),等待E n d -de v i c e 或R o u t e r 節(jié)點(diǎn)加入。E n d d i e v i c e 只能作為采集和接受數(shù)據(jù)葉子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能力。R o u t e r節(jié)點(diǎn)的程序基本功能和E n d d e-v i c e一樣,R o u t e r作為R o u t e r或E n d d e v i c e的父節(jié)點(diǎn),可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)

12、據(jù)。Z i g b e e協(xié)議支持的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有星狀、樹狀和M e s h網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。溫濕度數(shù)據(jù)采集與控制采用的是R o u t e r設(shè)備。與后臺(tái)計(jì)算機(jī)相連的是C o o r d i n a t o r節(jié)點(diǎn) 。圖1Z i g b e e協(xié)議棧架構(gòu)2基于Z i g b e e的館藏圖書溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成檔案管的檔案,圖書館的藏書,溫濕度過高或過低都很容易引起損壞。正常的保管溫度范圍為16 22,濕度為45%55%R P。為此,研制了基于Z i g b e e的圖書館溫濕度監(jiān)控系統(tǒng),使圖書館保持在一個(gè)恒定的溫濕度范圍。2.1傳統(tǒng)館藏圖書溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成傳統(tǒng)的圖書館藏書溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2

13、所示。優(yōu)點(diǎn)是傳輸距離較遠(yuǎn),可靠性較高;缺點(diǎn)是布線困難,增加節(jié)點(diǎn)軟硬件都需要重新設(shè)置。圖2傳統(tǒng)的圖書館藏書濕度監(jiān)控系統(tǒng)2.2由Z i g b e e無線傳感器組成館藏圖書溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)館藏圖書溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)由溫濕度傳感器、控制器、射頻發(fā)射器和接收機(jī)組成。溫濕度傳感器采用S H T11系列產(chǎn)品,S H T11系列產(chǎn)品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片,提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出,通過兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整,使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡(jiǎn)單。微小體積、極低功耗等優(yōu)點(diǎn)使其成為各類應(yīng)用中的首選。信號(hào)控制處理與發(fā)射接收單元采用c h i p c o n公司生產(chǎn)的2.4G H z射頻芯片C C2430,該

14、芯片延用了C C2420芯片架構(gòu),在單個(gè)芯片上整合了Z i g b e e射頻(F R前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位M C U (8051,具有128k B可編程閃存和8k B的R AM,并包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個(gè)定時(shí)器、A E S128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32k H z晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程I/O引腳。安裝在房間每一個(gè)點(diǎn)的溫濕傳感器將房間里的溫濕度信息經(jīng)射頻發(fā)射器傳送到控制室的接收器模塊上,并顯示溫濕度。能夠讓管理員在控制室及時(shí)了解到各房間的溫濕度情況及各控制器的運(yùn)行狀態(tài)。由Z i g b e e無線傳感器組成的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。以Z

15、i g b e e為基礎(chǔ)的館藏圖書溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng),不需要布線,網(wǎng)絡(luò)容量大,可以管理更多的無線節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點(diǎn)可分為無線節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn),當(dāng)溫度越限時(shí),通過無線節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)空調(diào)和加濕或除濕設(shè)備來調(diào)節(jié)溫濕度 。圖3館藏圖書溫濕監(jiān)控Z i g b e e無線監(jiān)控系統(tǒng)2.3由Z i g b e e無線傳感器構(gòu)成館藏圖書溫濕監(jiān)測(cè)無線網(wǎng)絡(luò)的硬件實(shí)現(xiàn)館藏圖書Z i g b e e無線網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)中有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)無線測(cè)控節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)立在值班室或控制室內(nèi),負(fù)責(zé)建立和管理網(wǎng)絡(luò)。并顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀況。而無線節(jié)點(diǎn)則分布于每個(gè)書庫中,負(fù)責(zé)采集溫濕度值,并發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器根據(jù)測(cè)量結(jié)果決

16、定是否啟動(dòng)無線控制節(jié)點(diǎn)。如果超越溫濕度允許值范圍,則啟動(dòng)變頻調(diào)速控制空調(diào)或加濕(除濕設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)圖書館的自動(dòng)和手動(dòng)溫濕度調(diào)節(jié)。本溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量及消除偏差,利用控制理論中P I D(比例積分微分控制。C C2430接收S H T11傳感器溫濕度數(shù)據(jù)(數(shù)字信號(hào)進(jìn)行P I D運(yùn)算和輸出。電器驅(qū)動(dòng)電路控制的設(shè)備如加熱、風(fēng)扇、加濕器。利用單片機(jī)的I/O口作為控制端口,通過控制電磁繼電器達(dá)到對(duì)電器的控制。2.3.1網(wǎng)路協(xié)調(diào)器的電路結(jié)構(gòu)以Z i g b e e發(fā)射接收、數(shù)據(jù)處理元件C C2430為核心的圖書館Z i g b e e無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的電路結(jié)構(gòu)·86·黑龍江工程

17、學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第25卷如圖4所示 。圖4網(wǎng)路協(xié)調(diào)器的電路結(jié)構(gòu)2.3.2Z i g b e e無線節(jié)點(diǎn)圖書館無線節(jié)點(diǎn)分別為測(cè)量節(jié)點(diǎn)和測(cè)量控制節(jié)點(diǎn),如圖5(a、(b所示。各書庫中傳感器測(cè)量出溫濕度值,送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將對(duì)測(cè)量進(jìn)行分析,如果超越溫濕度允許值范圍,則通過網(wǎng)絡(luò)中無線節(jié)點(diǎn)的控制節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)變頻調(diào)速控制空調(diào)或加濕機(jī) 。2.3.3C C2430模塊C C2430芯片以強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持,內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從ID E的I A R工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持,得到嵌入式機(jī)構(gòu)很高的認(rèn)可。它結(jié)合C h i p c o n公司全球先進(jìn)的Z i g b e e協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì),展示了領(lǐng)

18、先的Z i g b e e解決方案。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域,同時(shí)也適用于Z i g-b e e之外2.4G H z頻率的其他設(shè)備。1C C2430芯片的主要特點(diǎn):高性能和低功耗的8051微控制器核,集成I E E E802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2. 4G H z的R F無線電收發(fā)機(jī),優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性,集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的A D C,集成A E S安全協(xié)處理器,帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的U S A R T,以及1個(gè)符合I E E E802.15.4規(guī)范的MA C計(jì)時(shí)器、1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器,強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。C C2430的Z

19、i g b e e基本組成如圖6所示 。圖6C C2430結(jié)構(gòu)2典型應(yīng)用電路。C C2430的典型應(yīng)用電路如圖7所示。3館藏圖書溫濕監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)置館藏圖書無線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中的軟件主要包括協(xié)議棧軟件和應(yīng)用軟件。協(xié)議棧軟件一般由芯片或Z i g-b e e集成產(chǎn)商提供。系統(tǒng)基于Z i g b e e協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā),應(yīng)用開發(fā)主要針對(duì)具體應(yīng)用開發(fā)出系統(tǒng)應(yīng)用層軟件程序。本應(yīng)用的軟件編程主要分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器應(yīng)用軟件和傳感器測(cè)控應(yīng)用軟件。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)、匯聚數(shù)據(jù)和提供與計(jì)算機(jī)管理軟件的接口,傳感器測(cè)控?cái)?shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)無線節(jié)點(diǎn)的控制節(jié)點(diǎn)控制是否啟動(dòng)變頻調(diào)速控制空調(diào)或加濕機(jī)。本系統(tǒng)使用星形網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信,網(wǎng)絡(luò)配

20、置一個(gè)網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),在星形網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器節(jié)點(diǎn)只與網(wǎng)關(guān)通信,為實(shí)現(xiàn)這一功能,網(wǎng)關(guān)必須知道每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址,這需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)后把網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)收到網(wǎng)絡(luò)地址后建立地址表并存儲(chǔ),以便用戶要求采集數(shù)據(jù)時(shí)依據(jù)地址表來采集每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。I E E E802.15.4MA C 數(shù)據(jù)包最大長(zhǎng)度為127字節(jié),每個(gè)數(shù)據(jù)都由頭字節(jié)和16C R C值組成,在數(shù)據(jù)傳輸中使用應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,設(shè)置A C K標(biāo)志位為1的幀會(huì)被接收器應(yīng)答,如果在一定期限內(nèi)未收到應(yīng)答,則證明采集節(jié)點(diǎn)發(fā)生錯(cuò)誤。由C C2430元件為核心組成的Z i g b e e測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和控制節(jié)點(diǎn)的軟件流程

21、如圖8、圖9所示。4結(jié)束語Z i g b e e是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它是一種介于無線標(biāo)簽技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。Z i g b e e技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場(chǎng)的空缺,其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用,而不是技術(shù)本身。Z i g b e e 無線網(wǎng)絡(luò)成本低,雙向全時(shí)的特點(diǎn)在館藏圖書溫濕·96·第4期徐澤清:Z i g b e e無線網(wǎng)絡(luò)在館藏圖書溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用·黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第25卷·7 參考文獻(xiàn)1韓旭東,張春業(yè),李鵬.傳感器無線互聯(lián)標(biāo)

22、準(zhǔn)及實(shí)現(xiàn)J.電子技術(shù)應(yīng)用,2004(11.2顧瑞紅,張宏科.基于Z i g b e e的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用J.電子技術(shù)應(yīng)用,2005(6:1-31.3黃進(jìn)宏,左菲,曾明.一種基于能量?jī)?yōu)化的無線傳感網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)組織結(jié)構(gòu)和協(xié)議J.電訊技術(shù),2002,42(6. 4鄒仕洪,張麗娜,程時(shí)端.一種高效的移動(dòng)自組織網(wǎng)MA C協(xié)議J.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào),2005,28(1:4347.5李文江,魏娟.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用J.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2008(11.6李曉維.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)M.北京:北京理工大學(xué)出版社,2007.7姜堃,曹長(zhǎng)修,紀(jì)強(qiáng)軍.基于Z i g b e e技術(shù)的溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)J.自動(dòng)化博覽,2006(3.8舒懷林.P I D神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)對(duì)強(qiáng)耦合帶時(shí)延多