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1、引言 藥廠(chǎng)環(huán)境條件中的溫度和濕度指標是其重要參數, 研制可靠且實(shí)用的溫濕度監測系統顯得非常重要。通常, 采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現溫濕度監測,具有布線(xiàn)麻煩、設備隨意移動(dòng)性不強等缺點(diǎn)。隨著(zhù)射頻技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展, 無(wú)線(xiàn)通信功能的實(shí)現越來(lái)越容易, 數據傳輸速率也越來(lái)越快, 并且逐漸達到可以與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相媲美的水平。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（wireless sensor network，WSN）是計算機、通信和傳感器3項技術(shù)相結合的產(chǎn)物，近年來(lái)得到了飛速發(fā)展，已成為計算機科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)活躍的研究分支。而ZigBee是部署無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的新技術(shù), 已于2004年底推出。ZigBee技術(shù)是一種應用于短距離范圍內，低傳輸數據速率下的各種電子設備之間的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。ZigBee名字來(lái)源于蜂群使用的賴(lài)以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過(guò)跳ZigZag形狀的舞蹈來(lái)通知發(fā)現的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的名稱(chēng)。ZigBee過(guò)去又稱(chēng)為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，目前統一稱(chēng)為ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)則致力于提供一種廉價(jià)的固定、便攜或者移動(dòng)設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。這種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有如下特點(diǎn)：決定它將是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的最好選擇。1)功耗低；2）數據傳輸可靠；3）網(wǎng)絡(luò )容量大；4）兼容性；5）安全性；6）實(shí)現成本低；7）自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、自主路由。 本文以Zigbee技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套符合GMP藥廠(chǎng)要求的環(huán)境溫度/濕度監測系統，該系統符合美國食品與藥物管理局FDA Part 11標準。系統能對大面積的多點(diǎn)的溫度/濕度進(jìn)行監測，并將數據傳輸到PC機上進(jìn)行數據存儲與分析，并輸出打印曲線(xiàn)，在設備異常情況下還以多種形式的報警通知相應人員。同時(shí)系統具有強大的分級管理功能，為不同階層的用戶(hù)管理提供了一個(gè)多級的管理、監控平臺。 2、系統設計 2.1 ZigBee協(xié)議框架及其網(wǎng)絡(luò )拓撲結構 ZigBee協(xié)議是一種低成本、低功耗、低速率嵌入式設備互相間及與外界網(wǎng)絡(luò )通信的組網(wǎng)解決方案，它是ZigBee聯(lián)盟基于IEEE 802.15.4技術(shù)標準物理層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC層)協(xié)議對網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議和API進(jìn)行標準化而制定的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準。ZigBee協(xié)議棧結構如圖1所示。 圖1 ZigBee協(xié)議框架 在標準規范的制訂方面，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個(gè)組織，兩者分別制訂硬件與軟件標準。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，負責制訂MAC與PHY（物理層）規范，在2003年5月通過(guò)802.15.4標準； ZigBee建立在802.15.4標準之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應用綱要。802.15.4僅僅定義了實(shí)體層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層，并不足以保證不同的設備之間可以對話(huà)，于是便有了ZigBee聯(lián)盟。 在網(wǎng)絡(luò )層方面，ZigBee聯(lián)盟制訂可以采用星形和網(wǎng)狀拓撲，也允許兩者的組合，稱(chēng)為叢集樹(shù)狀。根據節點(diǎn)的不同角色，可分為全功能設備（Full-Function Device；FFD）與精簡(jiǎn)功能設備（Reduced-Function Device；RFD）。相較于FFD，RFD的電路較為簡(jiǎn)單且存儲體容量較小。FFD的節點(diǎn)具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數據交換，而RFD則只能傳送數據給FFD或從FFD接收數據。 ZigBee協(xié)議套件緊湊且簡(jiǎn)單，具體實(shí)現的硬件需求很低，8位微處理器80c51即可滿(mǎn)足要求，全功能協(xié)議軟件需要32K字節的ROM，最小功能協(xié)議軟件需求大約4K字節的ROM。 圖2 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構 2.2 系統整體結構 系統整體結構按照叢集樹(shù)狀拓撲結構來(lái)組織，如下圖3所示，由若干FFD、RFD，一個(gè)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)以及監控終端組成。 圖3 系統整體結構示意圖 2.3 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)硬件設計 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和電源模塊構成。節點(diǎn)的硬件原理框圖如圖4。處理器模塊和無(wú)線(xiàn)通信模塊采用CC2430 芯片, CC2430是一個(gè)真正的系統芯片( SoC) , 它包括了一個(gè)高性能的2.4GHz DSSS( 直接序列擴頻) 射頻收發(fā)器和高性能、低功耗的8051微控制器核。CC2430芯片采用0.18 um CMOS工藝生產(chǎn), 工作時(shí)的電流損耗為27 mA; 在接收和發(fā)射模式下, 電流損耗分別小于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性, 特別適合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用。大大簡(jiǎn)化了射頻電路的設計。傳感器模塊采用集成溫濕度傳感器SHT10。電源模塊采用3V 紐扣電池。 圖4 節點(diǎn)硬件設計 SHT10 用于采集周?chē)h(huán)境中的溫度和濕度, 其工作電壓為2.4～5.5V, 測濕精度為±4.5%RH, 25℃時(shí)測溫精度為±0.5℃。采用SMD 貼片封裝, 與處理器的通信電路I2C通信協(xié)議。 2.4 節點(diǎn)軟件設計 節點(diǎn)軟件設計采用了TinyOS操作系統，TinyOS 是美國的伯克利大學(xué)開(kāi)發(fā)的,專(zhuān)為嵌入式無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )而設計，是一款自由和開(kāi)放源碼的操作系統和平臺, 它采用面向元件結構,確�？焖夙憫蛨绦�,同時(shí)減小了代碼量,以適應無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )嚴格的存儲空間需要。它運行在每個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上,是其他上層應用和協(xié)議運行的前提。其操作系統、庫和程序服務(wù)程序是用nesC 寫(xiě)的。nesC 是一種開(kāi)發(fā)組件式結構程序、具有C 語(yǔ)法風(fēng)格的語(yǔ)言,其組件層次結構就如同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧,底層的組件負責接收和發(fā)送原始的數據位,而高層的組件對這些數據進(jìn)行編碼、解碼,更高層的組件負責數據打包、路由和傳輸數據。組件用接口互相連接。TinyOS為普通的抽象描述提供了接口和組件，例如數據包通信，路由，感知，行為和儲存。 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的應用程序采用nesC編寫(xiě)，分為數據采集、電池能量檢測和無(wú)線(xiàn)通信這三個(gè)分別設計的模塊。無(wú)線(xiàn)路由節點(diǎn)和無(wú)線(xiàn)終端節點(diǎn)比無(wú)線(xiàn)終端節點(diǎn)多一個(gè)數據匯集和上傳的功能。 2.5 ZigBee網(wǎng)關(guān)設計 在該系統中，需要實(shí)現ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與以太網(wǎng)的互聯(lián)，把網(wǎng)絡(luò )中監測的溫濕度數據需要發(fā)送到監測中心主機進(jìn)行分析和顯示。ZigBee網(wǎng)關(guān)實(shí)現該功能, 擔當ZigBee網(wǎng)絡(luò )和以太網(wǎng)的協(xié)議轉換。ZigBee網(wǎng)關(guān)由下列部分組成: 內部集成符合IEEE 802.15.4標準的2.4GHz的射頻(RF) 收發(fā)器的CC2430無(wú)線(xiàn)單片機; 采用ARM核的SamsungS3C44BOX微控制器; AX88796以太網(wǎng)控制器芯片等。 2.6 監控終端軟件設計 作為一個(gè)完整的藥廠(chǎng)環(huán)境監控系統，除了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究，運行在計算機服務(wù)器上的上層管理軟件必不可少。本系統中，上層管理軟件采用三層C/S 模式，實(shí)時(shí)對傳感器網(wǎng)絡(luò )送來(lái)的數據進(jìn)行處理，形成用戶(hù)最終關(guān)心的數據表現形式，局域網(wǎng)內的辦公用戶(hù)在經(jīng)過(guò)授權后，可以讀取監控主機上的實(shí)時(shí)數據，實(shí)現遠程的監測。監控應用軟件還對傳感器網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行跟蹤管理。對于監控到異常情況，上層管理軟件使用聲光、短信、電話(huà)實(shí)時(shí)報警方式�？娠@示參數列表、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)圖（對應具體數值并任意調整坐標）、實(shí)時(shí)數據、折算數據、累計數據、歷史、報警畫(huà)面、報表等多種顯示、統計功能更加貼近用戶(hù)需求。 3、實(shí)驗結果 為了檢驗該溫濕度傳感器的性能, 將3個(gè)溫濕度傳感器節點(diǎn)置于RZ-80-E型高精度的溫濕度試驗箱中, 試驗箱的溫度控制精 ±0.3℃，濕度控制精度 ± 2.5% R.H。將測量的標準值與控制主機采集的測量值相比較, 從測量數據可以看出, 測量誤差較小, 滿(mǎn)足使用要求。測量值與實(shí)際值之間的誤差主要是傳感器自身測量誤差, 網(wǎng)絡(luò )傳輸過(guò)程中幾乎不會(huì )引人誤差。 |
