摘要：Zigbee是一種能滿足低成本、低能耗無(wú)線通信技術(shù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),主要應(yīng)用于近距離無(wú)線連接、控制。介紹Zig-bee技術(shù)的主要特點(diǎn),并通過(guò)Zigbee傳感器無(wú)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(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(wú)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。
1 無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線連接，具有自己的無(wú)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(guò)無(wú)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。Zigbee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(wú)需注冊(cè)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(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(wú)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(wèn)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Zigbee協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。
CC2430的Zigbee協(xié)議棧中定義了3種設(shè)備：節(jié)點(diǎn)（End device）、路由器（Router）和協(xié)調(diào)器（Coordinator）。其中：Coordinator節(jié)點(diǎn)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，等待Enddevice或Router節(jié)點(diǎn)加入。Enddievice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。Router節(jié)點(diǎn)的程序基本功能和Enddevice一樣，Router作為Router或Enddevice的父節(jié)點(diǎn)，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(tái)計(jì)算機(jī)相連的是Coordinator節(jié)點(diǎn)。
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(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成
檔案管的檔案，圖書館的藏書，溫濕度過(guò)高或過(guò)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(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Zigbee無(wú)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(guò)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(gè)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(gè)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(gè)定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、32kHz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Zigbee無(wú)線傳感器組成的監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)，不需要布線，網(wǎng)絡(luò)容量大，可以管理更多的無(wú)線節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線節(jié)點(diǎn)可分為無(wú)線節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)，當(dāng)溫度越限時(shí)，通過(guò)無(wú)線節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)空調(diào)和加濕或除濕設(shè)備來(lái)調(diào)節(jié)溫濕度。
圖3 館藏圖書溫濕監(jiān)控Zigbee無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)
2.3 由Zigbee無(wú)線傳感器構(gòu)成館藏圖書溫濕監(jiān)測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的硬件實(shí)現(xiàn)
館藏圖書Zigbee無(wú)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(wú)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(wú)線節(jié)點(diǎn)則分布于每個(gè)書庫(kù)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)果決定是否啟動(dòng)無(wú)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(hào)）進(jìn)行PID 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(guò)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Zigbee發(fā)射接收、數(shù)據(jù)處理元件CC2430為核心的圖書館Zigbee無(wú)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(wú)線節(jié)點(diǎn)
圖書館無(wú)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(kù)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(guò)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)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)。
2.3.3 CC2430模塊
CC2430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IDE的IAR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Chipcon公司全球先進(jìn)的Zigbee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)，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(wú)線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，同時(shí)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(diǎn)：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(wú)線電收發(fā)機(jī)，優(yōu)良的無(wú)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ADC,集成AES安全協(xié)處理器，帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART,以及1個(gè)符合IEEE 802.
15.4規(guī)范的MAC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。
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(wú)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Zigbee集成產(chǎn)商提供。系統(tǒng)基于Zigbee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(guò)網(wǎng)絡(luò)無(wú)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(lái)采集每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。IEEE802.15.4MAC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16CRC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ACK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CC2430元件為核心組成的Zigbee測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和控制節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖8、圖9所示。
4 結(jié)束語(yǔ)
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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)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(wú)線連接。Zigbee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)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。Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)成本低，雙向全時(shí)的特點(diǎn)在館藏圖書溫濕度監(jiān)測(cè)等方面得到廣泛的應(yīng)用。
