摘要：Zigbee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Zig-bee技術(shù)的主要特點,并通過Zigbee傳感器無線網(wǎng)絡(luò)連接將館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了解各房間的溫濕度情況及各控制器的運行狀態(tài)。管理員能夠設(shè)置各無線節(jié)點實現(xiàn)對圖書館的自動和手動溫濕度控制。
1 無線Zigbee網(wǎng)絡(luò)
Zigbee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)，適合于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍牙技術(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)千個微小的傳感器之間互相協(xié)調(diào)實現(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)從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此，其通信效率非常高。Zigbee技術(shù)的主要優(yōu)點有：省電、可靠、成本低、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全。它工作于無需注冊的2.4GHz ISM 頻段傳輸速率10 M~250KB/S,傳輸距離10~75m.完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、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Zigbee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。
如圖1 為Zigbee協(xié)議架構(gòu)。Zigbee 是在IEEE802.15.4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IEEE 802.15.4協(xié)議層的一些復(fù)雜的細(xì)節(jié)問題，使開發(fā)人員能夠在短時間內(nèi)開發(fā)出產(chǎn)品。系統(tǒng)采用Zigbee協(xié)議進行設(shè)計開發(fā)。
CC2430的Zigbee協(xié)議棧中定義了3種設(shè)備：節(jié)點（End device）、路由器（Router）和協(xié)調(diào)器（Coordinator）。其中：Coordinator節(jié)點發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，等待Enddevice或Router節(jié)點加入。Enddievice只能作為采集和接受數(shù)據(jù)葉子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的能力。Router節(jié)點的程序基本功能和Enddevice一樣，Router作為Router或Enddevice的父節(jié)點，可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。Zigbee協(xié)議支持的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有星狀、樹狀和Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。溫濕度數(shù)據(jù)采集與控制采用的是Router設(shè)備。與后臺計算機相連的是Coordinator節(jié)點。
圖1 Zigbee協(xié)議棧架構(gòu)
2 基于Zigbee的館藏圖書溫濕度監(jiān)測系統(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%RP.為此，研制了基于Zigbee的圖書館溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，使圖書館保持在一個恒定的溫濕度范圍。
2.1 傳統(tǒng)館藏圖書溫濕度監(jiān)測系統(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所示。優(yōu)點是傳輸距離較遠，可靠性較高；缺點是布線困難，增加節(jié)點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Zigbee無線傳感器組成館藏圖書溫濕度監(jiān)測系統(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)射器和接收機組成。溫濕度傳感器采用SHT11系列產(chǎn)品，SHT11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)集成變得快速而簡單。微小體積、極低功耗等優(yōu)點使其成為各類應(yīng)用中的首選。信號控制處理與發(fā)射接收單元采用chipcon 公司生產(chǎn)的2.4GHz射頻芯片CC2430,該芯片延用了CC2420芯片架構(gòu)，在單個芯片上整合了Zigbee射頻（FR）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1 個8 位MCU（8051），具有128kB可編程閃存和8kB的RAM,并包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個定時器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O 引腳。
安裝在房間每一個點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了解到各房間的溫濕度情況及各控制器的運行狀態(tài)。由Zigbee無線傳感器組成的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。以Zigbee為基礎(chǔ)的館藏圖書溫濕度監(jiān)測系統(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。網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點可分為無線節(jié)點和控制節(jié)點，當(dāng)溫度越限時，通過無線節(jié)點啟動空調(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Zigbee無線監(jiān)控系統(tǒng)
2.3 由Zigbee無線傳感器構(gòu)成館藏圖書溫濕監(jiān)測無線網(wǎng)絡(luò)的硬件實現(xiàn)
館藏圖書Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)是一個星狀網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)中有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干個無線測控節(jié)點。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)點則分布于每個書庫中，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)測量結(jié)果決定是否啟動無線控制節(jié)點。如果超越溫濕度允許值范圍，則啟動變頻調(diào)速控制空調(diào)或加濕（除濕）設(shè)備，實現(xiàn)對圖書館的自動和手動溫濕度調(diào)節(jié)。本溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的基本原理是測量及消除偏差，利用控制理論中PID（比例積分微分）控制。CC2430接收SHT11傳感器溫濕度數(shù)據(jù)（數(shù)字信號）進行PID 運算和輸出。電器驅(qū)動電路控制的設(shè)備如加熱、風(fēng)扇、加濕器。利用單片機的I/O口作為控制端口，通過控制電磁繼電器達到對電器的控制。
2.3.1 網(wǎng)路協(xié)調(diào)器的電路結(jié)構(gòu)
以Zigbee發(fā)射接收、數(shù)據(jù)處理元件CC2430為核心的圖書館Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 網(wǎng)路協(xié)調(diào)器的電路結(jié)構(gòu)
2.3.2 Zigbee無線節(jié)點
圖書館無線節(jié)點分別為測量節(jié)點和測量控制節(jié)點，如圖5（a）、（b）所示。各書庫中傳感器測量出溫濕度值，送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將對測量進行分析，如果超越溫濕度允許值范圍，則通過網(wǎng)絡(luò)中無線節(jié)點的控制節(jié)點啟動變頻調(diào)速控制空調(diào)或加濕機。
2.3.3 CC2430模塊
CC2430芯片以強大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌入式機構(gòu)很高的認(rèn)可。它結(jié)合Chipcon公司全球先進的Zigbee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計，展示了領(lǐng)先的Zigbee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，同時也適用于Zigbee之外2.4GHz頻率的其他設(shè)備。
1）CC2430芯片的主要特點：高性能和低功耗的8051微控制器核，集成IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.
4GHz的RF無線電收發(fā)機，優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性，集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC,集成AES安全協(xié)處理器，帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的USART,以及1個符合IEEE 802.
15.4規(guī)范的MAC計時器、1個常規(guī)的16位計時器和2 個8 位計時器，強大和靈活的開發(fā)工具。
CC2430的Zigbee基本組成如圖6所示。
圖6 CC2430結(jié)構(gòu)
2）典型應(yīng)用電路。CC2430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Zigbee集成產(chǎn)商提供。系統(tǒng)基于Zigbee協(xié)議棧進行開發(fā)，應(yīng)用開發(fā)主要針對具體應(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)和提供與計算機管理軟件的接口，傳感器測控數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)無線節(jié)點的控制節(jié)點控制是否啟動變頻調(diào)速控制空調(diào)或加濕機。本系統(tǒng)使用星形網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信，網(wǎng)絡(luò)配置一個網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器）和多個傳感器節(jié)點，在星形網(wǎng)絡(luò)中所有的傳感器節(jié)點只與網(wǎng)關(guān)通信，為實現(xiàn)這一功能，網(wǎng)關(guān)必須知道每個采集節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址，這需要每個節(jié)點在加入網(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，以便用戶要求采集數(shù)據(jù)時依據(jù)地址表來采集每個傳感器的數(shù)據(jù)。IEEE802.15.4MAC數(shù)據(jù)包最大長度為127字節(jié)，每個數(shù)據(jù)都由頭字節(jié)和16CRC值組成，在數(shù)據(jù)傳輸中使用應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸機制，設(shè)置ACK標(biāo)志位為1的幀會被接收器應(yīng)答，如果在一定期限內(nèi)未收到應(yīng)答，則證明采集節(jié)點發(fā)生錯誤。由CC2430元件為核心組成的Zigbee測控網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和控制節(jié)點的軟件流程如圖8、圖9所示。
4 結(jié)束語
Zigbee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)和藍牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。Zigbee技術(shù)彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，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。Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)成本低，雙向全時的特點在館藏圖書溫濕度監(jiān)測等方面得到廣泛的應(yīng)用。
